Khái niệm
Hấp thụ là quá trình
quan trọng để xử lý khí và được ứng dụng rất nhiều trong các công nghệ khác. Hấp
thụ dựa trên cơ sở của quá trình truyền khối, nghĩa là có sự vận chuyển từ pha
này vào pha khác. Phụ thuộc vào bản chất của sự tương tác giữa chất hấp thụ và
chất bị hấp thụ trong pha khí, hấp thụ được chia làm hai loại: hấp thụ vật lý
và hấp thụ hóa học. Hấp thụ vật lý: dựa trên sự hòa tan của cấu tử pha khí
trong pha lỏng. Hấp thụ hóa học: có phản ứng hóa học giữa chất bị hấp thu và chất
hấp thụ hoặc cấu tử trong pha lỏng. Quá trình hấp thụ tách
hay bỏ một hay nhiều chất ô nhiễm ra khỏi dòng khí thải (pha khí) bằng cách xử
lý với chất lỏng ( pha lỏng).Lúc này hỗn hợp khí được cho tiếp xúc với chất lỏng
nhằm mục đích hòa tan có chọn lọc một hay nhiều cấu tử của hỗn hợp khí để tạo
nên một dung dịch các cấu tử trong chất lỏng.
- Khí
được hấp thụ gọi là chất bị hấp thụ.
- Chất
lỏng dùng để hấp thụ gọi là dung môi (chất hấp thụ)
- Khí
không bị hấp thụ gọi là khí trơ.
Trong công nghiệp hóa chất,
thực phẩm, quá trình hấp thu được dùng để:
-
Thu hồi các cấu tử quý trong pha khí
-
Làm sạch pha khí
-
Tách hổn hợp tạo thành các cấu tử riêng biệt
-
Tạo thành một dung dịch sản phẩm.
Nếu quá trình hấp
thụ khí với mục đích của quá trình là tách các cấu tử hỗn hợp khí thì khi đó việc
lựa chọn dung môi tốt phụ thuộc vào các yếu tố sau:
- Độ hòa tan tốt: có tính chọn lọc có nghĩa
là chỉ hòa tan cấu tử cần tách và hòa tan không đáng kể các cấu tử còn lại. Đây
là điều kiện quan trọng nhất.
- Độ
nhớt của dung môi: càng bé thì trở lực quá trình càng nhỏ, tăng tốc độ hấp thu
và có lợi cho quá trình chuyển khối.
- Nhiệt
dung riêng: bé sẽ tốn ít nhiệt khi hoàn nguyên dung môi.
-
Nhiệt độ sôi: khác xa với nhiệt độ sôi của chất hoà tan sẽ dễ tách các cấu tử
ra khỏi dung môi.
-
Nhiệt độ đóng rắn: thấp để tránh tắc thiết bị, không tạo kết tủa, không độc và
thu hồi các cấu tử hòa tan dễ dàng hơn.
- Ít bay hơi, rẻ tiền, dễ kiếm, không độc hại với
người và không ăn mòn thiết bị.
Tuy nhiên, trong thực tế không có dung môi nào đạt
được tất cả các chỉ tiêu đã nêu. Vì vậy, khi chọn dung môi ta phải dựa vào những
điều kiện cụ thể của sản xuất.
Các loại tháp hấp thu
Tháp đĩa
·
Tháp đĩa
có ống chảy chuyền
Tháp mâm chóp
Tháp đĩa thường cấu tạo gồm thân hình trụ thẳng đứng, bên trong có đặt các tấm ngăn
(đĩa) cách nhau một khoảng nhất định.
Trên mỗi đĩa hai pha chuyển động ngược hoặc chéo chiều:lỏng từ trên xuống (hoặc đi ngang), khí đi từ dưới lên hoặc xuyên qua chất lỏng chảy
ngang; ở
đây tiếp xúc pha xảy ra theo từng bậc là đĩa.Tùy thuộc cấu tạo của đĩa
chất lỏng trên đĩa có thể là khuấy lý tưởng
hay là dòng chảy qua. Trên đĩa có cấu tạo
đặc biệt để lỏng đi từ đĩa
trên xuống đĩa dưới theo
đường riêng gọi
là ống chảy chuyền, đĩa cuối cùng ống chảy chuyền ngập sâu trong khối chất lỏng
đáy tháp tạo thành van thủy lực ngăn không cho khí (hơi hay lỏng) đi theo ống
lên đĩa trên.
Pha khí (hơi hay lỏng) xuyên qua các lỗ, khe chóp,
khe chóp, hay khe xupap sục vào pha lỏng
trên đĩa. Để phân phối đều chất lỏng người
ta dùng tấm ngăn điều chỉnh chiều cao mức chất lỏng trên đĩa.
+ Ưu điểm: Hiệu suất truyền khối
cao, hoạt động ổn định, làm việc với chất lỏng bẩn, ít tiêu hao năng lượng.
+ Nhược điểm: cấu tạo hức tạp, trở lực lớn, nặng.
Tháp mâm lỗ
Tháp đĩa lưới hình trụ, bên trong có nhiều đĩa, có
lỗ tròn, hoặc rãnh. Chất lỏng chảy từ trên xuống qua các ống chảy chuyền. Khi
đi từ dưới lên qua các lỗ hoặc rãnh đĩa. Đĩa có thể lắp cân bằng hoặc xuyên một
góc với độ dốc 1/45- 1/50.
+ Ưu điểm: chế tạo đơn giản, vệ sinh dễ dàng, trở
lực ít hơn tháp chóp, ít tốn kim loại hơn tháp chóp.
+ Nhược điểm: yêu cầu lắp đặt cao, mâm lấp phải rất
phẳng.
Hình 1.3. mặt cắt ngang mâm xuyên lỗ (ống chảy
chuyền)
·
Tháp đĩa không có ống chảy chuyền
Hình 1.4. Tháp mâm không có ống chảy chuyền
Trong trường hợp này khí và lỏng cùng chảy qua một lỗ trên
đĩa, vì vậy
không có hiện tượng giảm chiều cao chất lỏng trên đĩa
như trong các loại
tháp có ống chảy chuyền,
và tất cả bề mặt đĩa đều làm việc, nên hiệu quả của đĩa
cao hơn. Vì vậy trong
những năm gần đây loại tháp này
được sử dụng rộng rãi.
Tháp đĩa không có ống chảy chuyền cũng có nhiều loại
nhưng chủ yếu có hai loại: đĩa lỗ và đĩa rãnh. Đĩa lỗ được cấu tạo bởi các tấm ngăn và tấm
phẳng,
trên có nhiều
lỗ tròn được bố
trí đều. Lỗ
có đường kính
2-8mm phụ thuộc vào chất lỏng. Tháp đĩa rãnh là đĩa gồm nhiều thanh hoặc
là nhiều ống ghép lại với nhau tạo thành các khe hở 3-4mm . Ngoài ra, đĩa còn
có cấu tạo hình sống, trên có lỗ.
Các sống gần nhau hợp thành góc 900. Hơi
đi từ dưới lên qua lỗ ở phần sống lồi, còn lỏng đi từ trên xuống qua phần sống
lõm.
Tháp
phun
Loại này gồm thân và 1 ống vòi phun 2. Những
hạt chất lỏng sẻ được
phun ra và tiếp
xúc với dòng
khí đi từ dưới lên
và quá trình hấp thụ xảy ra. Loại
thiết bị này không phù hợp với các loại khí khó hoà tan.
Ngoài ra còn có những loại hấp thu cơ học. Chất lỏng bắn ra trong các phễu, ở
đó khí sẻ được tiếp xúc với chất lỏng và có quá trình hấp thụ. Khí chuyển động
qua thiết bị theo đường ngoằn ngoèo giữa các bậc. Chất lỏng chảy từ trên xuống
và lấy ra ở đáy. Bộ phận bắn tung chất lỏng được gắn vào một trục quay, có tác
dụng trì hoãn sự chảy của chất lỏng trong phễu, tạo khả năng tiếp xúc tốt với pha
khí.
+ Ưu điểm:
Tháp hấp thụ rỗng được thiết kế để
dòng khí chuyển động theo tuyến đặc biệt và vòi phun đặt dọc theo chiều
cao tháp có thể đạt hiệu quả hấp thụ rất cao.
+ Khuyết điểm: yêu cấu lấp đặt cao, mâm lấp phải rất
phẳng.
Tháp đệm
Cấu tạo gồm: thân tháp rỗng bên trong đổ đầy đệm
làm từ vật liệu khác nhau (gỗ, nhựa, kim
loại, gốm,..) với những hình dạng khác nhau (trụ, cầu, tấm, yên ngựa, lò
xo,..); lưới đỡ đệm, ống dẫn khí và lỏng vào ra. Để phân phối đều lỏng lên khối
đệm chứa trong tháp, người ta dùng bộ phận
phân phối dạng: lưới phân phối (lỏng đi trong ống – khí ngoài ống; lỏng và khí đi trong cùng ống);
màng phân phối, vòi phun hoa sen (dạng trụ,
bán cầu, khe); bánh xe quay (ống có lỗ, phun quay, ổ đỡ);...
Các phần tử
đệm được đặc trưng bằng: đường kính d, chiều cao h, bề dày δ. Đối với đệm trụ,
h = d chứa được nhiều phần tử nhất trong 1 đơn vị thể tích.
Khối đệm
được đặc trưng bằng các kích thước: bề mặt riêng a (m2/m3); thể tích tự do ε (m3/m3); đường kính tương đương d(tđ) =
4r(thủy lực) = 4.S/n = 4 ε/a; tiết diện tự do S (m2/m3).
Hình 1.7 Tháp đệm
Khi chọn đệm cần lưu ý: thấm ướt tốt chất lỏng; trở
lực nhỏ, thể tích tự do và và tiết diện ngang lớn; có thể làm việc với tải trọng
lớn của lỏng và khí khi ε và S lớn; khối lượng riêng nhỏ; phân phối đều lỏng;
có tính chịu ăn mòn cao, rẻ tiền, dễ kiếm... Để làm việc với chất lỏng bẩn nên
chọn đệm cầu có khối lượng riêng nhỏ.
+Ưu điểm: cấu tạo đơn giản; trở lực theo pha khí
(hoạt động ở chế độ màng/quá độ) nhỏ.
+Nhược điểm: hoạt động kém ổn định, hiệu suất thấp;
dễ bị sặc; khó tách nhiệt, khó thấm ướt.
+Ứng dụng:
- Dùng trong các trường hợp năng suất thấp: tháp hấp
thụ khí, tháp chưng cất,...
- Dùng trong các hệ thống trở lực nhỏ (như hệ thống
hút chân không,...).
Tháp màng
Bề mặt tiếp xúc
pha là bề mặt chất lỏng chảy
thành màng theo bề mặt vật rắn thường là thẳng đứng. Bề mặt vật rắn có
thể là ống, tấm song song hoặc đệm tấm.
·
Tháp màng dạng ống:
Có cấu tạo tương tự thiết bị
trao đổi nhiệt dạng ống chùm, gồm có ống tạo màng được giữ bằng hai vĩ
ống ở hai đầu,
khoảng không giữa ống và vỏ thiết
bị để tách khi cần thiết.
Chất lỏng chảy
thành màng theo
thành ống từ
trên xuống, chất khí (hơi) đi theo khoảng không gian trong màng chất lỏng
từ dưới lên.
·
Tháp màng dạng tấm phẳng
Các tấm đệm đặt ở dạng thẳng đứng được làm từ những vật liệu khác nhau (kim loại, nhựa, vải
căng treo trên khung...) đặt trong thân hình trụ. Để đảm bảo thấm ướt đều chất lỏng từ cả 2 phía tấm đệm ta dùng dụng
cụ phân phối đặc biệt có cấu tạo răng cưa.
· Tháp
màng dạng ống khi lỏng và khí đi cùng chiều
Cũng có cấu tạo từ các ống cố định trên 2 vỉ, khí
đi qua thân gồm các ống phân phối tương ứng
đặt đồng trục với ống tạo màng. Chất lỏng đi vào ống tạo màng qua khe giữa 2 ống. Khi tốc độ khí lớn sẽ
kéo theo chất lỏng từ dưới lên
chuyển động dưới dạng màng theo thành ống tạo
màng. Khi cần
tách nhiệt có thể cho
tác nhân lạnh
đi vào khoảng không gian giữa vỏ và ống.
Để nâng cao hiệu suất người ta dùng thiết
bị nhiều bậc giống nhau.
-Thủy động lực trong thiết bị dạng màng:
+ Khi Re < 300 – chảy màng , bề mặt pha nhẵn
trơn
+ Khi 300 < Re < 1600 – chảy màng bắt đầu có
gợn sóng
+ Khi Re > 1600 – chảy rối
Khi có dòng khí chuyển động ngược chiều sẽ ảnh hưởng lớn đến chế độ chảy
của màng. Khi đó, do lực ma sát giữa khí và lỏng sẽ có cản trở mạnh của dòng khí
làm bề dày màng tăng lên, trở lực dòng
khí tăng. Tiếp tục tăng vận tốc dòng khí sẽ
dẫn đến cân bằng giữa trọng lực của màng
lỏng và lực ma sát và dẫn đến chế
độ sặc (nhiều khi pha khí chỉ
3-6m/s đã xảy
ra sặc). Khi tốc độ vượt qua tốc độ sạch sẽ
làm kéo chất lỏng theo pha khí ra ngoài.
Hình 1.8. Tháp màng
- Ưu và nhược điểm của tháp màng:
+ Ưu điểm
- Trở lực theo pha khí nhỏ.
- Có thể biết được bề mặt tiếp xúc pha (trong trường
hợp chất lỏng chảy thành màng).
- Có thể thực hiện trao đổi nhiệt.
+ Nhược điểm
- Năng suất theo pha lỏng nhỏ.
- Cấu tạo phức tạp, khi vận hành dễ bị sặc.
+ Ứng dụng:
- Trong phòng thí nghiệm
- Trong trường hợp có năng suất thấp
- Trong những hệ thống cần trở lực thấp (hệ thống
hút chân không,...)
Các yếu tố ảnh hưởng lên quá trình hấp thụ
Nhiệt độ và áp suất là những yếu tố ảnh hưởng lên
quá trình hấp thu. Cụ thể là chúng có ảnh hưởng lên trạng thái cân bằng và động
lực của quá trình.
Ảnh hưởng của nhiệt độ
Khi các
điều kiện khác không đổi nếu nhiệt độ tăng thì giá trị của hệ số Henry tăng, đường
cân bằng sẽ chuyển dịch về trục tung. Giả sử đường làm việc PQ không đổi, nếu
nhiệt độ tăng lên thì động lực truyền khối sẽ giảm, do đó tốc độ truyền khối sẽ
giảm. Nếu tăng nhiệt độ lên một giới hạn nào đó thì không những động lực truyền
khối giảm mà ngay cả quá trình củng không thực hiện được theo đường làm việc PQ
cho trước. Mặt khác nhiệt độ tăng cũng có ảnh hưởng tốt vì làm độ nhớt của dung
môi giảm (có lợi đối với trường hợp trở lực khuếch tán chủ yếu nằm trong pha lỏng).
Ảnh
hưởng của áp suất
Nếu các điều kiện khác giữ nguyên mà chỉ tăng áp suất
của hỗn hợp khí thì hệ số cân bằng sẽ giảm và do đó đường cân bằng sẽ dịch chuyển
về phía trục hoành. Như vậy nếu tăng áp suất thì quá trình truyền khối sẽ tốt
hơn vì động lực tốt hơn.
Tuy nhiên, việc tăng áp suất thường kèm theo sự tăng
nhiệt độ. Mặt khác, sự tăng áp suất cũng gây khó khăn trong việc chế tạo và vận
hành của tháp hấp thu.
Các
yếu tố khác
Tính chất của dung môi, loại thiết bị, cấu tạo thiết
bị, độ chính xác của dụng cụ đo, chế độ vận hành tháp… đều có ảnh hưởng nhiều đến
hiệu suất hấp thụ
(Tháng 06/2014)
Tài liệu tham khảo:
[1] Phạm Văn Bôn -Vũ Bá Minh - Hoàng Minh Nam, Quá
trình và thiết bị trong công nghệ hoá học, Tập 10, Nhà XB Đại Học Bách
Khoa, TP. Hồ Chí Minh, 2000.
[2] Nguyễn Bin, Các
Quá Trình, Thiết Bị Trong Công Nghệ Hóa Chất và Thực Phẩm, NXB khoa học và
kĩ thuật 2008
[3] Trần Ngọc Chấn, Ô nhiễm không khí và xử
lý khí thải - Tập 1, 3,NXB Khoa học và Kỹ thuật.
[4]Trần Xoa - Nguyễn Trọng Khuông - Hồ Lê Viên, Sổ tay quá
trình và thiết bị Công nghệ hóa chất tập 1, Nhà XB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội,
2006
[5]Trần Xoa - Nguyễn Trọng Khuông - Phạm Xuân Toản, Sổ tay
quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2, Nhà XB Khoa học và Kỹ thuật, Hà
Nội, 2006.
Posts
0 comments:
Post a Comment