Chuong2

8,452 views

Published on

0 Comments
0 Likes
Statistics
Notes
  • Be the first to comment

  • Be the first to like this

No Downloads
Views
Total views
8,452
On SlideShare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
8
Actions
Shares
0
Downloads
221
Comments
0
Likes
0
Embeds 0
No embeds

No notes for slide

Chuong2

  1. 1. 47 CHƯƠNG 2: QUÁ TRÌNH HẤP THỤ I. Các khái niệm cơ bản: Trong công nghiệp hóa chất có rất nhiều nguyên liệu dạng khí được dùng, cũng như nhiều sản phẩm thu được ở dạng khí. Muốn tiếp tục gia công chế biến các hỗn hợp khí, ta phải tách chúng thành từng cấu tử riêng biệt. Ví dụ sau khi khí hóa than ta thu được hỗn hợp khí gồm N2, H2, H2S, CO, CO2, ... Muốn sử dụng hỗn hợp khí này vào mục đích tổng hợp NH3 để sản xuất ure, ta phải tách riêng từng cấu tử ra. Hoặc quá trình hấp thụ tách butadien, acetylen trong phân đoạn hydrocacbon C4 trong quá trình chế biến khí. Có 3 phương pháp tách hỗn hợp khí: 1. Phương pháp tách hút. 2. Phương pháp hóa lí. 3. Phương pháp hóa học. Phương pháp hóa học (dựa vào phản ứng hóa học) sẽ được nghiên cứu ở phần sau. Phương pháp hóa lí tiến hành qua khí hóa lỏng (dựa vào nhiệt độ sôi khác nhau). Phương pháp hút được hiểu là sự tiếp nhận của chất này vào một chất khác qua bề mặt phân pha của chúng. Nếu dùng chất lỏng để hút thì ta gọi là hấp thụ, còn dùng chất rắn đẻ hút thì gọi là hấp phụ. Như vậy, quá trình hấp thụ là quá trình hút khí bằng chất lỏng, khí được hút gọi là chất bị hấp thụ, còn chất lỏng để hút gọi là dung môi (hay chất hấp thụ), khí không bị hút gọi là khí trơ. Quá trình hấp thụ được ứng dụng để: - Thu hồi các cấu tử quí. - Làm sạch khí. - Tách hỗn hợp khí thành từng cấu tử riêng biệt. Trong trường hợp thứ nhất và thứ ba bắt buộc phải tiến hành quá trình nhã để tách các cấu tử được hấp thụ ra khỏi dung môi và tái tạo lại dung
  2. 2. 48 môi. Để thực hiện quá trình nhã có thể dùng các phương pháp như đun nóng hay tién hành quá trình ở áp suất thấp. Quá trình hấp thụ được thực hiện tốt hay xấu phần lớn do tính chất của dung môi quyết định. Một dung môi tốt cho quá trình hấp thụ cần: 1. Có tính hòa tan chọn lọc (có ái lực với khí cần hấp thụ), nghĩa là chỉ hòa tan với một cấu tử, còn các cấu tử khác không có khả năng hòa tan hoặc hòa tan ít. 2. Độ nhớt của dung môi phải bé, để giảm trở lực và tăng hệ số chuyển khối. 3. Nhiệt dung riêng bé, để tiết kiệm nhiệt năng khi hoàn nguyên dung môi. 4. Có nhiệt độ sôi khác xa nhiệt độ sôi của cấu tử hòa tan, để dễ dàng phân riêng chúng khi tách (chưng luyện chẳng hạn). 5. Có nhiệt độ đóng rắn thấp, để tránh hiện tượng đóng rắn làm tắc, nghẽn thiết bị. 6. Không tạo thành kết tủa khi hòa tan, để tắc thiết bị và dễ thu hồi. 7. Ít bay hơi để tránh tổn thất. 8. Rẽ tiền, không độc, không gây ăn mòn thiết bị. Tuy nhiên, trong thực tế không có dung môi nào đạt được các tiêu chuẩn đã nêu. Vì vậy, khi chọn lựa dung môi cần phải dựa vào những điều kiện cụ thể của sản xuất, nhưng điều kiện thứ nhất không thể thiếu được. II. Cơ sở vật lí của quá trình hấp thụ: 1. Độ hòa tan của khí trong lỏng: Độ hòa tan của khí trong lỏng là lượng khí hòa tan trong một đơn vị chất lỏng, được biểu thị bằng kg/kg; kg/m3 ; g/l; lít khí hòa tan/lít chất lỏng;..
  3. 3. 49 Độ hòa tan của khí trong lỏng phụ thuộc vào tính chất của khí và của chất lỏng, phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường, áp suất riêng phần của khí trong hỗn hợp khí. Muốn tính toán được quá trình hấp thụ cần phải biết độ hòa tan của khí vào trong lỏng hay nói một cách khác là phải biết mối quan hệ phụ thuộc giữa nồng độ khí ở trong hỗn hợp khí và trong lỏng. Khí hòa tan trong lỏng sẽ tạo thành hỗn hợp hai cấu tử, có hai thành phần và hai pha. Theo qui tắc Gibbs: C = 2 - 2 + 2 = 2, được coi như hỗn hợp lỏng có hai thành phần. Cân bằng được xác định bởi áp suất, nhiệt độ và nồng độ. Nếu nhiệt độ không đổi, thì độ hòa tan phụ thuộc vào áp suất. Sự phụ thuộc này tuân theo định luật Henry-Dalton: mxy =* (2.1) • Đối với khí lí tưởng m là hằng số, và mối quan hệ )(* xfy = là đường thẳng. • Đối với khí thực, m phụ thuộc vào x, nên đường cân bằng là đường cong. Hằng số cân bằng P m ψ = Khi tính toán quá trình hấp thụ, người ta thường dùng nồng độ phần mol tương đối Y, X. và: X X x Y Y y + = + = 1 ; 1 Do đó: Xm mX Y )1(1 −+ = (2.2) Như vậy, quan hệ cân bằng tính theo nồng độ phần mol tương đối luôn luôn là một đường cong. 2. Phương trình đường nồng độ làm việc của quá trình hấp thụ:
  4. 4. 50 Phương trình đường làm việc của quá trình hấp thụ được thành lập trên cơ sở của lí thuyết hai lớp màng. Đó là lớp màng ngăn cách giữa pha lỏng và pha khí. Qua lớp màng, khí trong hỗn hợp khí sẽ khuyếch tán vào pha lỏng. Khi cân bằng vật liệu, thường người ta cho trước hỗn hợp khí, nồng độ đầu và nồng cuối của khí bị hấp thụ trong các pha. Gọi: Gy: lượng hỗn hợp khí vào thiết bị hấp thụ, 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/dung môi; Gtr: lượng khí trơ, kmol/h. Lượng khí trơ được xác định theo công thức: )1( 1 1 dy d ytr yG Y GG −= + = (2.3) Phương trình cân bằng vật liệu trong tháp hấp thụ: )()( dcxcdtr XXGYYG −=− (2.4) Lượng dung môi cần thiết: h kmol XX YY GG dc cd trx , )( )( − − = (2.5) Lượng dung môi tối thiểu cần dùng cho quá trình hấp thụ được xác định khi mà nồng độ cuối của dung môi đạt đến nồng độ cân bằng, nghĩa là: h kmol XX YY GG ddcb cd trx , )( )( , min − − = (2.6) với Xcb,đ: nồng độ cân bằng ứng với nồng độ đầu của hỗn hợp khí.
  5. 5. 51 Trong quá trình hấp thụ, nồng độ cân bằng luôn luôn lớn hơn nồng độ làm việc, vì thế lượng dung môi thực tế luôn lớn hơn lượng dung môi tối thiểu, thường khoảng 20%. Nếu tính lượng dung môi theo 1kg khí trơ, ta có lượng dung môi tiêu hao riêng là: h kmol XX YY G G l dc cd tr x , )( )( − − == (2.7) Xđ Yc Nếu biểu diễn phương trình cân bằng vật liệu ở tiết diện bất kì của tháp ta có: )()( dxctr XXGYYG −=− (2.8) X Y F Rút ra: d tr x c tr x X G G YX G G Y −+= (2.9) Hoặc: BAXY += (2.10) Trong đó: d tr x c tr x X G G YBX G G A −== ; : hằng số Xc Yđ Phương trình (2.10) được gọi là phương trình Hình 2.1. Quan hệ y=f(x) Đường nồng độ làm việc của quá trình hấp thụ. Nếu biể diễn trên đồ thị Y-X là đường thẳng có hệ số góc tgα = A, và cắt trục tung tại B. 3. Ảnh hưởng của lượng dung môi đến quá trình hấp thụ: Để xem xét vai trò của dung môi trong hấp thụ, ta dựa vào phương trình truyền chất chung và phương trình đường nồng độ làm việc. Theo phương trình chuyển khối chung: tby YFkG ∆= Trong điều kiện nhất định G là lượng khí bị hấp thụ không đổi và hệ số truyền chất ky không đổi. Do đó bề mặt tiếp xúc pha F chỉ được thay đổi tương ứng với sự thay đổi ∆Ytb sao cho tích số F×∆Ytb là không đổi. Bề mặt F thay đổi, tức kích thước thiết bị thay đổi, lớn khi F tăng và nhỏ khi F giảm. Dựa vào đồ thị hình 2.2 ta thấy:
  6. 6. 52 - Khi Yđ, Yc và Xđ cố định, thì nồng cuối dung môi được quyết định theo động lực trung bình ∆Ytb , tức là điểm cuối của đường làm việc AB. Điểm cuối của đường làm việc chỉ được dịch chuyển từ A đến A4. Đường làm việc BA4 cắt đường cân bằng, lúc này động lực trung bình nhỏ nhất. Đường BA gần với trục tung, nên động lực trung bình là lớn nhất. Y Yđ A A1 A2 A3 A4 Y=AX + B Y* =f(X) Yc B Xđ X Hình 2.2. Quan hệ Y-X Vì F×∆Ytb không đổi nên ứng với đường BA4 cho F lớn nhất, và ứng với đường BA cho F bé nhất. - Tương tự tại A4 ta có Xc lớn nhất và tại A có Xc bé nhất. Dựa vào phương trình đường nồng độ làm việc ta cũng thấy tương ứng với với đường BA4 có tr x G G tgA == α bé nhất (có nghĩa là lượng dung môi bé nhất), còn ứng với với đường BA có tr x G G tgA == α lớn nhất (có nghĩa là lượng dung môi lớn nhất, vì lượng Gtr không đổi)
  7. 7. 53 Vì vậy, nếu chọn lượng dung môi ít nhất, ta thu được Xc lớn, nhưng thiết bị phải vô cùng cao; trái lại nếu chọn lượng dung môi lớn nhất, thì thiết bị bé, nhưng dung dịch thu được quá loãng (Xc bé). Do đố khi chọn điều kiện làm việc ta phải dựa vào chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật. 4. Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất đến quá trình hấp thụ: Nhiệt độ và áp suất là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng lên quá trình hấp thụ, mà chủ yếu ảnh hưởng lên trạng thái cân bằng và động lực của quá trình. Y Y t3 P4 P3 Yđ B t2 Yđ B P2 Yc A Yc A t1 P1 Xđ Xc X Xđ Xc X (a) (b) Hình 2.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất lên quá trình hấp thụ. (a) ảnh hưởng của nhiệt độ t1<t2<t3; (b) ảnh hưởng của áp suất P1>P2>P3 Từ phương trình Henry ta thấy khi nhiệt độ tăng thì hệ số Henry tăng, đường cân bằng sẽ dịch chuyển về phía trục tung (hình 2.3a). Vì vậy, nếu đường nồng độ làm việc AB không đổi thì động lực trung bình giảm, do đó cường độ truyền chất cũng giảm theo. Nếu tiếp tục tăng nhiệt độ, ví dụ đến t3 thì không những động lực trung bình giảm mà ngay cả quá trình cũng không
  8. 8. 54 thể thực hiện được (vì đường cân bằng và đường làm việc cắt nhau, nên không thể đạt được nồng độ cuối Xc). Đó là sự ảnh hưởng xấu của nhiệt độ. Tuy nhiên, khi nhiệt độ tăng thì độ nhớt của dung dịch giảm (có lợi với trường hợp trở lực chủ yếu trong pha lỏng), vận tốc khí tăng, cường độ truyền chất cũng tăng theo. Đó là sự ảnh hưởng tốt của nhiệt độ. Trong trường hợp tăng áp suất, ta thấy hệ số cân bằng P m ψ = sẽ giảm, do đó dường cân bằng sẽ dịch chuyển dần về phía trục hoành, tức động lực trung bình sẽ tăng, quá trình truyền chất sẽ tốt hơn (hình 2.3b). Nhưng sự tăng áp suất luôn luôn kèm theo sự tăng nhiệt độ, nên nó cũng gây ảnh hưởng xấu đến quá trình hấp thụ. Mặt khác, tăng áp suất cũng gây khó khăn về mặt thiết bị. Do vậy, chỉ sử dụng quá trình hấp thụ ở áp cao đối với những khí khó hòa tan, ví dụ hấp thụ CO2 bằng nước tiến hành ở áp suất khoảng 17at, hoặc thu hồi CO ở áp suất 120at, ... III. Thiết bị hấp thụ và chưng luyện: 1. Khái niệm: Trong sản xuất người ta dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để thực hiện quá trình hấp thụ. Tuy nhiên, chúng có cùng chung yêu cầu cơ bản là có bề mặt tiếp xúc lớn để tăng hiệu suúat của quá trình. Các thiết bị thường dùng trong sản xuất là: - Thiết bị loại bề mặt. - Thiết bị loại màng. - Thiết bị loại phun. - Thiết bị loại đệm (tháp đệm). - Thiết bị loại đĩa (tháp đĩa). 1.1. Thiết bị loại bề mặt:
  9. 9. 55 Đây là loại thiết bi đơn giản nhất, trong thiết bị khí và lỏng chuyển động ngược chiều nhau, chúng tiếp xúc nhau trên bề mặt thoáng của chất lỏng. Loại thiết bị 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 loại thiết bị này thường được lắp nối tiếp nhau thành từng dãy. Trong trường hợp cần làm nguội trong quá trình hấp thụ người ta tưới lên bề mặt thiết bị hoặc nhúng toàn bộ thiết bị trong nước lạnh. (hình 2.5 và 2.6) 1.2. Thiết bị loại màng: có hai loại: ống và tấm 1.2.1. Thiết bị loại ống: Loại này có cấu tạo giống thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm (hình 2.6). Chất lỏng chảy dọc theo thành trong ống từ trên xuống dưới, chất khí đi từ dưới lên tiếp xúc với màng chất lỏng và quá trình hấp thụ được thực hiện ở màng chất lỏng trên thành ống. Để lấy nhiệt tỏa ra khi hấp thụ người ta cho nước lạnh vào khoảng giữa các ống. Đường kính ống từ 25 đến 50 mm.
  10. 10. 56 1.2.2. Thiết bị loại tấm: Gồm các bản xếp thẳng đứng song song với nhau ở khoảng cách nhất định (hình 2.8). Bản có thể được chế tạo bằng kim loại, chất dẻo, ... Chất lỏng từ trên xuống chảy thành màng trên bề mặt bản nhờ bộ phận phân phối 2. Khí đi ngược chiều từ dưới lên. Thiết bị hấp thụ loại màng có những ưu điểm sau: - Trở lực rất nhỏ. - Vận tốc chất lỏng lớn (5m/s) Tuy nhiên nó cũng có những nhược điểm sau: - Hiệu suất thấp khi chiều cao lớn. - Khó phân bố đều chất lỏng. Trong thực tế sản xuất loại thiết bị này được sử dụng tương đối rộng rãi, đặc biệt để chưng và hấp thụ ở áp suất chân không. 1.2.3. Tính toán thiết bị loại màng: Khi tính toán người ta thường xác định đường kính, chiều cao và trở lực trong thiết bị. - Đường kính thiết bị loại màng được tính dựa vào phương trình lưu lượng sau: w V D k 785,0 = (m) (2.11) trong đó: Vk: lưu lượng khí hoặc lỏng, m3 /s; w: vận tốc khí hoặc lỏng trong thiết bị, m/s. - Vận tốc trong thiết bị loại màng được tính theo công thức: x x x U w δρ = (m/s) (2.12) trong đó: δ: chiều dày màng chất lỏng, m; ρx: khối lượng riêng của chất lỏng, kg/m3 ;
  11. 11. 57 Ux: mật độ tưới, kg/m.s; là lượng chất lỏng chảy qua chiều dài của ống hoặc tấm trong thời gian 1 giây và được tính bằng: L G U x x 3600 = (kg/m.s) (2.13) trong đó: Gx: lượng chất lỏng (dung môi) chảy qua thiết bị, kg/h; L: chiều dài ống, tấm chất lỏng chảy qua, m. - Trở lực chất lỏng trong thiết bị được tính theo công thức: l g w d P x td k 2 2 λ =∆ (N/m2 ) (2.14) trong đó: λ: hệ số ma sát; xRe 96 =λ hay xtdx dw ρ µ λ 96 = (µ: độ nhớt, kg/m.s) dtđ: đường kính tương đương, m; δ4=tdd ; l: chiều cao của ống hay bản, m. 1.3. Tháp đệm: Tháp đệm được sử dụng cho quá trình hấp thụ, hấp phụ, chưng luyện và các quá trình khác. Tháp hình trụ, bên trong có đổ đầy đệm. Đệm có nhiều loại, phổ biến nhất có các loại đệm sau (hình 2.7): - Đệm vòng, kích thước từ 10 đến 100mm. - Đệm hạt, kích thước từ 20 đến 100mm. - Đệm xoắn, đường kính dây cỡ 0,3 dến 1mm, đường kính vòng xoắn cỡ 3 đến 8mm, chiều dài dây không quá 25mm. - Đệm lưới bằng gỗ. Tất cả các loại đệm đều có yêu cầu chung: 1. Có bề mặt riêng (σ: m2 /m3 ) lớn. 2. Thể tích tự do (Vtd:m3 /m3 ) lớn. 3. Khối lượng riêng bé. 4. Bền hóa học.
  12. 12. 58 Trong thực tế không có loại đệm nào đủ hết các yêu trên, nên tùy theo điều kiện cụ thể mà chọn đệm cho phù hợp. Đệm lưới bằng gỗ thường được sử dụng trong các tháp làm lạnh hoặc hấp thụ khí sơ bộ vì đệm gỗ thường có kích thước lớn nên bề mặt riêng của đệm 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.
  13. 13. 59 Tháp đệm có những ưu điểm sau: - Có bề mặt tiếp xúc pha lớn, hiệu suất cao. - Cấu tạo đơn giản. - Trở lực trong tháp không lớn lắm. - Giới hạn làm việc tương đối rộng. Nhược điểm: khó làm ướt đều đệm. Do đó nếu tháp cao quá thì chất lỏng phân bố không đều. Vì vậy khi tháp cao người ta phải chia tầng và ở mỗi tầng có đặt thêm bộ phận phân phối lỏng. 1.3.1. Chế độ làm việc của tháp đệm: Trong tháp đệm chất lỏng chảy từ trên xuống, phân bố đều trên bề mặt đệm; khí đi từ dưới lên phân tán trong lỏng. Trên cơ sở nghiên cứu quá trình khuyếch tán ở tháp đệm, Kafarov cho rằng, quá trình truyền chất trong tháp đệm không những phụ thuộc vào khuyếch tán, mà còn chịu ảnh hưởng của chế độ thủy động trong tháp. Tùy thuộc vào vận tốc khí mà trong tháp đệm mà có các chế độ thủy động khác nhau: chế độ dòng, chế độ quá độ, chế độ xoáy hay chế độ sủi bọt. - Khi vận tốc khí bé (ở chế độ dòng) lúc đó lực hút phân tử lớn hơn lực ỳ nên quá trình truyền chất được quyết định bằng khuyếch tán phân tử. - Tăng vận tốc khí lên đến khi lực ỳ bằng lực phân tử thì quá trình truyền chất được quyết định không những chỉ bằng khuyếch tán phân tử mà còn có khuyếch tán đối lưu. Chế độ thủy động chuyển sang chế độ quá độ. - Tiếp tục tăng vận tốc khí lên nữa, ta có chế độ xoáy và quá trình truyền chất được quyết định bằng khuyếch tán đối lưu. - Tăng vận tốc khí lên đến một giới hạn nào đó thì sẽ xảy ra hiện tượng đảo pha. Lúc này chất lỏng sẽ chiếm toàn bộ tháp và trở thành pha liên tục, còn khí phân tán vào trong lỏng và trở thành pha phân tán. Vận tốc
  14. 14. 60 khí ứng với lúc đảo pha gọi là vận tốc đảo pha. Do khí sục vào trong lỏng nên tạo bọt vì thế giai đoạn này gọi là chế độ sủi bọt. Lúc này vận tốc chuyển khối tăng nhanh đồng thời trở lực cũng tăng nhanh. τFd dG D C B A O Wđp Ws Wk Hình 2.8. Quan hệ giữa vận tốc chuyển khối và vận tốc khí OA: chế độ chảy dòng; AB: chế độ quá độ; BC: chế độ xoáy CD: chế độ sủi bọt. Vận tốc ứng với điểm C gọi là chế độ đảo pha; vận tốc ứng với điểm D gọi là vận tốc sặc. Nếu vận tốc khí vượt quá vận tốc sặc thì chất lỏng bị bắn ra khỏi tháp cùng với khí. Theo thực nghiệm thì quá trình chuyển khối ở chế độ sủi bọt là tố nhất (sau điểm C), nhưng trong thực tế tháp đệm chỉ làm việc ở tốc độ khí nhỏ hơn vận tốc đảo pha (trước điểm C), vì nếu tăng nữa sẽ khó đảm bảo quá
  15. 15. 61 trình ổn định. Ở chế độ này chất lỏng chảy thành màng bao quanh đệm, nên còn gọi là chế độ màng. 1.3.2. Tính toán tháp đệm: Đối với tháp đệm, ta cần xác định đường kính tháp, chiều cao lớp đệm và trở lực. (đọc thêm tài liệu). 1.4. Tháp đĩa: Tháp đĩa được ứng dụng nhiều trong công nghệ hóa học và thực phẩm. Trong tháp đĩa, chất lỏng đi từ trên xuống, còn khí đi từ dưới lên. Chúng tiếp xúc và trao đổi chất với nhau tại mỗi bậc (đĩa), khác với tháp đệm là hai pha lỏng và hơi tiếp xúc nhau liên tục trên toàn bộ tháp. So với tháp đệm thì tháp đĩa phức tạp hơn và được phân thành nhiều loại theo kết cấu của đĩa và sự vận chuyển của chất lỏng qua lỗ đĩa hoặc theo các ống chảy chuyền giữa các đĩa, cụ thể phân thành: • Tháp đĩa có ống chảy chuyền: khí và lỏng chuyển động riêng biệt nhau từ đĩa này sang đĩa khác. • Tháp không có ống chảy chuyền: khí và lỏng chuyển động từ đĩa này sang đĩa khác trên cùng một lỗ. 1.4.1. Tháp có ống chảy chuyền: Có nhiều loại: tháp đĩa chóp, tháp đĩa lưới (đĩa lỗ), tháp supap, tháp chữ S. 1.4.1.1. Tháp đĩa chóp: (hình 2.9) Sự huyển động của lỏng từ đĩa này qua đĩa khác nhờ ống chảy chuyền, khí đi từ dưới lên qua ống hơi rồi xuyên qua các rãnh của chóp và sục vào lớp chất lỏng trên đĩa. Hiệu quả của quá trình sục khí phụ thuộc nhiều vào vận tốc khí. Nếu vận tốc khí bé thì khả năng sục khí kém, nhưng nếu vận tốc khí quá lớn sẽ làm bắn chất lỏng hoặc cuốn chất lỏng theo. Hiện tượng bắn chất lỏng tất nhiên còn phụ thuộc nhiều yếu tố khác nữa như khoảng cách giữa
  16. 16. 62 các đĩa, khoảng cách giữa các chóp, khối lượng riêng, cấu tạo và kích thước của chóp và của ống chảy chuyền. 1.4.1.2.Tháp đĩa lưới (đĩa lỗ): (hình 2.10) Tháp đĩa lưới hình trụ, bên trong có nhiều đĩa, có nhiều lỗ tròn, hoặc rãnh. Tổng tiết diện của lỗ hay rãnh chiếm từ 8 ÷ 15 % tiết diện tháp. Đường kính lỗ từ 3 ÷ 8 mm. Đối với tháp quá lớn, có đường kính D > 2,4 m, loại đĩa lỗ ít được dùng, vì ở đường kính này chất lỏng không đều trên mặt đĩa. Tùy thuộc vào vận tốc của dòng khí, trong tháp đĩa lưới có các chuyển động sau đây: - Ở vận tốc khí bé, khí qua lỏng ở dạng từng bong bóng riêng lẻ, nên tháp làm việc ở chế độ sủi bong bóng. Lúc này chất lỏng vừa đi qua ống chảy chuyền vừa cùng bọt qua lỗ đĩa.
  17. 17. 63 - Nếu tăng vận tốc khí lên thì khí đi qua lỏng thành từng tia liên tục. Khi đó tháp làm việc ở chế độ dòng, chất lỏng không lọt qua lỗ đĩa được. Ở chế độ này tháp làm việc đều đặn. - Tiếp tục tăng vận tốc khí lên nữa, tháp chuyển sang chế độ bọt, tức khí hòa tan 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. Nếu tiếp tục tăng vận tốc lên, trong tháp sẽ có hiện tượng bắn chất lỏng. Đối với loại tháp này thường người ta cho tháp làm việc ở chế độ dòng hoặc bọt. Vận tốc làm việc của khí được xác định theo công thức: y yx Cw ρ ρρ − = −5 10.5,8 (m/s) (2.15) trong đó hệ số C được tính: )35(42,1 1 −−= xVCC với Vx: lượng chất lỏng chảy qua 1m chiều dài ống chảy chuyền, m3 /m.h C1: hệ số được xác định qua đồ thi hình 2.11, phụ thuộc vào khoảng cách giữa các đĩa. Tùy thuộc vào tính chất của chất lỏng mà chọn đường kính của đĩa lỗ. Đối với chất lỏng sạch, đường kính lỗ được chon từ 2 ÷ 6 mm (thường chọn từ 4 ÷ 5 mm). Đối với chất lỏng bẩn, đường kính từ 8 ÷ 11 mm. Bước của lỗ từ 2,5 ÷ 6 đường kính lỗ, chiều dày của đĩa lấy từ 0,5 ÷ 0,8 đường kính lỗ. 1.4.1.3. Đĩa supap: (hình 1.12) Đĩa supap là đĩa có lỗ nâng hạ để điều chỉnh độ đóng mở của lỗ trên đĩa, nên nó có tính trung gian giữa đĩa chóp và lưới. Supap có dạng tròn hay bản chữ nhật. Supap loại bản có chiều rộng 25 mm, chiều dài 120 – 150 mm,
  18. 18. 64 đường kính lỗ đĩa 10 – 15 mm. Supap tròn có đường kính 50 mm, lỗ đĩa có đường kính 10 – 40 mm, độ dịch chuyển lên xuống là 7 mm. Supap tròn trong quá trình làm việc được nâng lên đều đặn, nhiều hay ít phụ thuộc vào vận tốc khí lớn hay nhỏ. Supap bản được nâng đều toàn bộ chỉ ở vận tốc cho phép (đủ lớn), còn ở vận tốc bé chỉ có đầu nhẹ được nâng lên. (hình 1.13) 1.4.1.4. Tháp đĩa sòng hình chữ S: (hình 1.14) Loại này được sử dụng nhiều trong công nghệ hóa chất và dầu khí. Đĩa gồm nhiều tấm uốn hình chữ S ghép liền nhau tạo thành chóp rãnh. Chế độ làm việc tối ưu là chế độ sủi bọt. Vận tốc khí được xác định theo công thức như tháp đĩa lưới.
  19. 19. 65 1.4.2. Tháp không có ống chảy chuyền: Trong loại tháp 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 tháp có ống chảy chuyền, và tất cả bề mặt đĩa đều làm việc, nên hiệu quả của đĩa cao hơn. Vì vậy, những năm gần đây loại tháp này được sử dụng rộng rãi. Tháp không có ống chảy chuyền có nhiều loại khác nhau (hình 1.15). Chế độ làm việc theo Delinski và Kafarov có bốn chế độ thủy động: - Chế độ thấm ướt đĩa: ở chế độ này vận tốc khí bé, nên khí và lỏng không đi qua cùng một lỗ. Vì vậy, chúng tiếp xúc nhau trên màng chất lỏng. - Chế độ sủi bọt: khi tang vận tốc khí đến giới hạn nào đó, trên đĩa ngoài chất lỏng còn có bọt. - Chế độ huyền phù: nếu tiếp tục tăng vận tốc khí lên nữa, thì chất lỏng trên đĩa không còn nữa mà chỉ còn bọt. Lớp bọt xoáy mạnh. - Chế độ sóng: vận tốc khí tăng lên giới hạn cao thì xuất hiện các tia khí, gây chấn động, trở lực của đĩa tăng nhanh. Cuối chế độ này nếu tiếp tục tăng vận tốc khí lên sẽ có hiện tượng chất lỏng bị cuốn theo và không chảy xuống đĩa dưới nữa. Chế độ làm việc tốt nhất là chể độ sủi bọt.
  20. 20. 66 IV. Các quá trình hấp thụ tách chất quan trọng trong kỹ thuật: 1. Hấp thụ tách butadien: Butadien là thành phần quan trọng nhất của phân đoạn C4 trong sản phẩm nhiệt phân hủy xăng. Bảng 2.1. dẫn ra hệ số hấp thụ benzen của các hydrocacbon C4 trong một số dung môi hữu cơ. Người ta coi tỷ lệ buten butadien α α là thước đo về độ chọn lọc và giá trị αbutadien là thước đo về khả năng hòa tan của dung môi. Hệ số hấp thụ benzen biểu thị độ hòa tan của khí ở áp suất riêng phần 1at trong một lít chất lỏng tại một nhiệt độ xác định) Bảng 2.1. Hệ số hấp thụ benzen của các hydrocacbon C4 trong các dung môi hữu cơ ở 250 C. Dung môi Nhiệt độ, 0 C Hệ số hấp thụ benzen α, ldungmôi lkhí Độ chọn lọc buten butadien α α n-Buten Isobuten Butadien N-metylpyrolidon 200 33,9 23,1 83,0 2,5 Dimetylsunfoxit 189 11,5 8,9 31,3 2,7 Dimetylfocmamit 154 35,5 24,6 83,4 2,4 Sunfolan 133 9,4 8,3 25,5 2,7 Pyrolidon 245 13,4 11,8 36,6 2,7 Butylacton 206 18,0 16,6 51,1 2,8 Acetonitril (độc) 82 30,0 27,7 72,0 2,4 Monometylfocmamit 200 17,0 16,7 32,1 1,8 Bảng trên cho thấy dung môi monometylfocmamit có độ chọn lọc kém nhất và khả năng hòa tan butadien của nó thấp. Dựa trên khr năng hòa tan của butadien người ta chỉ chọn được các dung môi N-metylpyrolidon,
  21. 21. 67 Dimetylsunfoxit (DMF) và Acetonitril, nhưng do Acetonitril độc nên không dùng. Hình (2.16) trình bày sơ đồ hấp thụ tách butadien bằng dung môi DMF hoặc N-metylpyrolidon. Sơ đồ cho thấy có dẫn một phần butadien tinh khiết quay về cột hấp thụ giông như phần chiết lỏng lỏng butadien. Khi dẫn một phần butadien tinh khiết vào phía dưới của cột hấp thụ, butadien này sẽ đi ngược lên và gặp dung môi chứa phân đoạn C4 để trao đổi chất. Ở phía dưới cột hấp thụ, áp suất riêng phần của tất cả các hydrocacbon C4 khác trở nên rất nhỏ, vì vậy theo định luật Henry, nồng độ của chúng trong dung môi rất thấp và không đáng kể.Dung dịch ra khỏi tháp hấp thụ hầu như chỉ chứa butadien, đem chưng cất ta thu được butadien tinh khiết. 2. Hấp thụ tách acetylen: Tương tự như hấp thụ tách butadien, người ta cũng dùng phương pháp hấp thụ để tách acetylen ra khỏi hỗn hợp khí sản phẩm tạo thành trong quá trình phân hủy nhiệt ở nhiệt độ cao của hydrocacbon, hoặc trong quá trình oxy hóa một phần của khí tự nhiên bằng oxy, người ta thu được một hỗn hợp
  22. 22. 68 khí gồm CO, H2, CH4, C2H2, và các hydrocacbon cao hơn (chủ yếu là các ankin cao và các hợp chất thơm). Người ta có thể sử dụng dung môi là aceton để hấp thụ tách acetylen từ hỗn hợp khí trên. Nước cũng có thể được sử dụng làm dung môi vì nước có độ chọn lọc tốt nhưng khả năng hòa tan acetylen trong nước kém. Trong thực tế sản xuất, người ta thường sử dụng dung môi DMF hoặc N- metylpyrolidon vì khả năng hòa tan acetylen của nó cũng cao và độ chọn lọc cũng lớn. Mặt khác các dung môi này ít bay hơi. Hỗn hợp tạo thành trong công đoạn trước hết phải được làm sạch bồ hóng và làm nguội bằng nước. Sau đó đem hấp thụ bằng dung môi chon lọc ở áp suất thường để tách các hydrocacbon cao. Sau đó nén hỗn hợp khí đến 10 – 20 at rồi hấp thụ tách acetylen. Ở đây người ta cũng dẫn ngược trở lại một phần acetylen tinh khiết từ cột giải hấp thụ vào đáy tháp hấp thụ để thu được dung dịch hấp thụ có thành phần acetylen khá tinh khiết. Dung dịch acetylen này được lấy ra khỏi cột hấp thụ và đưa vào cột giải hấp để thu được acetylen ở đầu cột. Tiếp sau đó là cột giải hấp thụ của hydrocacbon cao, cuối cùng người ta chưng cất dung dịch để thu hồi dung môi dùng lại trong quá trình hấp thụ acetylen tiếp theo và đồng thời cũng tách bỏ các tạp chất có điểm sôi cao.(hình 2.17).
  23. 23. 69

×