chuyển khối trong công nghệ môi trường

1. CHƯƠNG 6. QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ
6.1 Khái niệm
 Quá trình hút khí, hơi hoặc chất hòa tan trong chất lỏng bằng chất rắn xốp gọi là
quá trình hấp phụ.
 Chất bị hút gọi là chất bị hấp phụ, còn
 Chất rắn xốp gọi là chất hấp phụ.
 Hấp phụ khí và hơi trong hỗn hợp không khí đơn giản hơn so với hấp phụ chất tan
trong dung dịch.
 Ở điều kiện bình thường khi hấp phụ khí trong hỗn hợp với không khí thì không
khí không bị hấp phụ.
 Nhưng khi hấp phụ chất hòa tan trong dung dịch thì dung môi cũng có thể bị hấp
phụ.
 Hấp phụ trao đổi ion là hấp phụ có kèm theo sự trao đổi ion giữa chất hấp phụ và
dung dịch.
 Quá trình này chỉ xảy ra khi hấp phụ chất tan trong dung dịch và đường kính mao
quản của chất hấp phụ nhỏ hơn 5Å (5.10−8
𝑐𝑐𝑐𝑐)

2.  Hấp phụ có kèm theo phản ứng hóa học giữa chất bị hấp phụ và chất hấp phụ gọi
là hấp phụ hóa học.
 Quá trình này có thể xảy ra cả trong môi trường khí và môi trường lỏng,
 Đường kính mao quản của chất hấp phụ lớn hơn 200Å và
 Xảy ra ở nhiệt độ cao (𝑡𝑡 > 200℃).
 Hấp phụ vật lý là hấp phụ không kèm phản ứng hóa học, có những đặc điểm sau:
 Lực hấp phụ là lực Vandecvan, tức là lực hút tương hỗ giữa các phân tử.
 Quá trình hấp phụ là quá trình thuận nghịch hoàn toàn.
 Nhiệt tỏa ra không đáng kể
 Có thể hấp phụ một lớp hoặc nhiều lớp
 Ứng dụng:
 Làm sạch và sấy khô khí,
 Tách các hỗn hợp khí hay hơi thành từng cấu tử,
 Xúc tác dị thể.
Hấp phụ có thể tiến hành được khi nồng độ chất bị hấp phụ trong hỗn hợp khí hay
lỏng rất nhỏ và do đó việc tách được thực hiện triệt để hơn.

3. 6.2 Chất hấp phụ
 Chất hấp phụ là những vật liệu rắn dạng hạt có cấu trúc rất xốp và diện tích bề
mặt riêng lớn.
 Đặc trưng cơ bản của chất hấp phụ là hoạt độ.
 Hoạt độ tĩnh được đặc trưng bởi lượng tối đa chất bị hấp phụ do một đơn vị thể
tích hay một đơn vị khối lượng chất hấp phụ hút được ở một nhiệt độ và nồng độ
nhất định của chất bị hấp phụ có trong pha khí (hơi) cho đến khi đạt tới trạng thái
cân bằng.
 Hoạt độ động được đặc trưng bởi lượng tối đa chất bị hấp phụ do một đơn vị thể
tích hay một đơn vị khối lượng chất hấp phụ hút được trong khoảng thời gian tính
từ khi bắt đầu hấp phụ cho đến khi xuất hiện chất bị hấp phụ trong pha khí đi ra.
 Phân loại chất hấp phụ theo cấu trúc mao quản:
 Mao quản nhỏ: 5 − 10Å
 Mao quản trung bình: 15 − 1000Å
 Mao quản lớn: 1000 − 2000Å

4.  Khối lượng riêng chất hấp phụ:
 Khối lượng riêng xốp 𝜌𝜌𝑥𝑥 là khối lượng một đơn vị thể tích của lớp chất hấp phụ.
 Khối lượng riêng biểu kiến 𝜌𝜌ℎ là khối lượng một đơn vị thể tích các hạt vật liệu
xốp khô. Khối lượng riêng biểu kiến 𝜌𝜌ℎ có quan hệ với khối lượng riêng xốp 𝜌𝜌𝑥𝑥 và
độ xốp 𝜀𝜀 của lớp chất hấp phụ theo biểu thức sau:
𝜌𝜌ℎ 1 − 𝜀𝜀 = 𝜌𝜌𝑥𝑥
 Khối lượng riêng thực (hay khối lượng riêng tinh thể) 𝜌𝜌𝑇𝑇 là khối lượng của một
đơn vị thể tích vật liệu đặc, không chứa các lỗ xốp hoặc mao quản. Khối lượng
riêng thực 𝜌𝜌𝑇𝑇 có mối quan hệ với khối lượng riêng biểu kiến 𝜌𝜌ℎ và độ xốp bên
trong 𝑥𝑥 của hạt theo quan hệ sau:
𝜌𝜌𝑇𝑇 1 − 𝑥𝑥 = 𝜌𝜌ℎ
 Khối lượng riêng của hạt ẩm 𝜌𝜌𝑜𝑜 xác định theo công thức sau:
𝜌𝜌𝑜𝑜 = 𝜌𝜌ℎ + 𝜌𝜌𝑙𝑙𝑥𝑥
Trong đó 𝜌𝜌𝑙𝑙 – khối lượng riêng của chất lỏng làm ẩm chất hấp phụ.

5.  Các chất hấp phụ thường sử dụng trong công nghiệp:
 than hoạt tính,
 silicagen,
 zeolit.
 Tính chất hấp phụ của các vật liệu phụ thuộc vào:
 bề mặt riêng
 cấu trúc mao quản
• kích thước mao quản và
• phân bố mao quản theo kích thước.
.

6. 6.3 Các thuyết hấp phụ
6.3.1 Cân bằng pha của quá trình hấp phụ
Phương trình nồng độ cân bằng biểu diễn quan hệ giữa nồng độ chất bị hấp phụ
trong pha khí và trong pha rắn có dạng chung như sau:
𝑋𝑋 = 𝑓𝑓 𝑌𝑌, 𝑇𝑇
Trong đó:
𝑋𝑋 – nồng độ của chất bị hấp phụ trong pha rắn, 𝑘𝑘𝑘𝑘/𝑘𝑘𝑘𝑘;
𝑌𝑌 – nồng độ của chất bị hấp phụ trong pha khí, 𝑘𝑘𝑘𝑘/𝑘𝑘𝑘𝑘
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ thường là áp suất và nhiệt độ.
Nếu giữ nhiệt độ không đổi thì nồng độ chất bị hấp phụ trong pha khí tỷ lệ với áp
suất riêng phần của nó trong hỗn hợp, phương trình nồng độ cân bằng có dạng sau:
𝑋𝑋 = 𝑓𝑓 𝑝𝑝
p–là áp suất riêng phần của chất bị hấp phụ trong hỗn hợp khí, mmHg.
Đường biểu diễn mối quan hệ trên gọi là đường đẳng nhiệt hấp phụ
.

7. Đường đẳng nhiệt hấp phụ đối với than hoạt tính
1 – benzene; 2 – rượu etylic; 3 – rượu etylic ở 25℃; 4 – hỗn hợp 70% etylic và 30%
etedietylic ở 20℃; 5 – ete dietylic ở 20℃

8. 6.3.2 Thuyết hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir
 Hấp phụ là do
 Các phân tử hay nguyên tử trên bề mặt chất hấp phụ chưa bão hòa hóa trị,
 Lực hóa trị dư tạo ra liên kết hóa học,
 Khoảng tác dụng của lực hóa trị rất nhỏ thường không lớn hơn đường kính phân
tử, do đó chỉ hấp phụ một lớp.
 Quá trình hấp phụ chỉ xảy ra trên những điểm đặc biệt gọi là tâm hấp phụ.
 Phương trình đẳng nhiệt Langmuir có dạng:
𝑋𝑋 =
𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴
1 + 𝐴𝐴𝐴𝐴
A, B là các hằng số, phụ thuộc vào tính chất của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ.

9. Phương trình đẳng nhiệt Langmuir được chia thành 3 vùng:
Vùng p nhỏ:
𝑋𝑋 = 𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴
Vùng p lớn:
𝑋𝑋 = 𝐵𝐵
Vùng trung gian:
𝑋𝑋 =
𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴
1 + 𝐴𝐴𝐴𝐴

10. 6.4 Động học của quá trình hấp phụ
Tốc độ của quá trình hấp phụ là lượng chất bị hấp phụ do một đơn vị chất hấp phụ
hút được trong một đơn vị thời gian.
Tốc độ hấp phụ thì tỷ lệ thuận với hệ số chuyển khối và động lực của quá trình.
𝑑𝑑𝐶𝐶𝑧𝑧
𝑑𝑑𝑑𝑑
= 𝐾𝐾𝑣𝑣𝑣𝑣
′
𝐶𝐶𝑦𝑦 − 𝐶𝐶𝑦𝑦
∗
= 𝐾𝐾𝑣𝑣𝑣𝑣
′
𝑌𝑌 − 𝑌𝑌
∗
𝐶𝐶𝑧𝑧–lượng chất bị hấp phụ bởi một đơn vị thể tích chất hấp phụ, kg chất bị hấp
phụ/m3 chất hấp phụ; 𝜏𝜏– thời gian hấp phụ, s;
𝐶𝐶𝑦𝑦– nồng độ khối lượng của chất bị hấp phụ trong khí trơ, kg chất bị hấp phụ/ m3 khí
trơ; 𝐶𝐶𝑦𝑦
∗
–nồng độ khối lượng cân bằng của chất bị hấp phụ trong khí trơ, kg chất bị
hấp phụ/ m3 khí trơ;
𝑌𝑌–nồng độ phần khối lượng tương đối của chất bị hấp phụ trong hỗn hợp khí, kg
chất bị hấp phụ/ kg khí trơ, 𝑌𝑌
∗
–nồng độ phần khối lượng tương đối cân bằng của
chất bị hấp phụ trong hỗn hợp khí, kg chất bị hấp phụ/ kg khí trơ;
𝐾𝐾𝑣𝑣𝑣𝑣
′
–hệ số chuyển khối, 1/s; 𝐾𝐾𝑣𝑣𝑣𝑣
′
–hệ số chuyển khối, 𝑘𝑘𝑘𝑘/𝑚𝑚3𝑠𝑠

11. Khi nồng độ chất bị hấp phụ trong hỗn hợp khí nhỏ thì có thể coi khối lượng riêng
của hỗn hợp khí xấp xỉ bằng khối lượng riêng của khí sạch. Do đó:
𝐾𝐾𝑣𝑣𝑣𝑣
′
𝐾𝐾𝑣𝑣𝑣𝑣
′ =
∆𝐶𝐶𝑦𝑦
∆𝑌𝑌
≈ 𝜌𝜌𝑦𝑦
trong đó 𝜌𝜌𝑦𝑦–khối lượng riêng của khí trơ, 𝑘𝑘𝑘𝑘/𝑚𝑚3

12. 6.5 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của thiết bị hấp phụ
6.5.1 Chu trình làm việc của thiết bị hấp phụ
 Quá trình hấp phụ trong công nghiệp thường gồm 4 giai đoạn: hấp phụ, nhả, làm
khô, làm nguội.
 Phương thức làm việc:
 Bốn giai đoạn: hấp phụ, nhả bằng hơi nước, sấy khô chất hấp phụ bằng khí nóng,
làm nguội chất hấp phụ bằng khí lạnh.
 Ba giai đoạn: hấp phụ, nhả bằng khí trơ nóng, làm nguội bằng khí lạnh
 Hai giai đoạn: giai đoạn đầu hấp phụ trong dòng khí nóng và khô (kết hợp hấp phụ
và sấy khô), giai đoạn sau hấp phụ trong dòng khí nguội và nhả bằng hơi nước.
 Đối với hấp phụ chất lỏng tác nhân nhả có thể là chất lỏng hữu cơ, nước hoặc
dung dịch.
 Sau giai đoạn hấp phụ, nhả là giai đoạn tách tác nhân bị hấp phụ, có thể bằng sấy
hoặc bay hơi hoặc bằng cách rửa để chiết hết tác nhân mà không cần giai đoạn
sấy khô và làm nguội.
 Nhả và rửa bằng chất lỏng còn tách các tạp chất không bị hấp phụ, mà chỉ bám
vào mặt ngoài hoặc lẫn trong khối vật liệu.

13.  Trong hấp phụ gián đoạn, các bước của chu trình được thực hiện theo trình tự.
 Trong quá trình hấp phụ liên tục, mỗi giai đoạn được thực hiện ở một khu vực
hoặc trong một thiết bị riêng.

14. 6.5.2 Các thiết bị hấp phụ
6.5.2.1 Thiết bị hấp phụ làm việc gián đoạn
1 – vỏ; 2 – lưới; 3 – cửa nạp chất hấp phụ; 4 – cửa tháo chất hấp phụ;
5 – cửa tháo nước ngưng

15.  Phương thức làm việc:
 4 giai đoạn: hấp phụ, nhả, sấy, làm nguội
 3 giai đoạn: hấp phụ, nhả, làm nguội;
 2 giai đoạn: hấp phụ, nhả
 Lựa chọn phương thức làm việc dựa vào:
 Đặc trưng của chất bị hấp phụ và
 Nồng độ đầu của nó trong hỗn hợp khí.
 Nồng độ đầu cao nên dùng phương thức 4 giai đoạn
 Nồng độ trung bình và nhỏ (2 – 3 g/m3) dùng phương thức 3 giai đoạn
 Chỉ dùng phương thức 2 giai đoạn khi nhiệt độ hỗn hợp khí thấp và đồng nhất (<
35℃)

16. 6.5.2.2 Thiết bị hấp phụ tầng sôi
 Ưu điểm:
Không có khu vực chết;
Nhiệt độ đồng đều;
Trở lực bé; năng suất lớn;
Dễ vận chuyển chất hấp phụ
 Nhược điểm:
Chất hấp phụ dễ bị vỡ vụn, phát sinh bụi,
Mài mòn cơ học
1 – cyclone; 2 – phòng phần ly; 3 - phòng hấp
phụ; 4 – thiết bị trao đổi nhiệt; 5,6 – bộ phận
tháo; 7 – phòng nhả; 8 – bao hơi