BÀI TẬP LỚN TRUYỀN NHIỆT TRUYỀN KHỐI CHỦ đề TÌM HIỂU THIẾT BỊ HẤP THỤ LOẠI đĩa

Một dung môi tốt cho quá trình hấp thụ cần: - Có tính hòa tan chọn lọc có ái lực với khí cần hấp thụ, nghĩa là chỉ hòa tan vớimột cấu tử, còn các cấu tử khác không có khả năng hòa tan ho

BÀI TẬP LỚN TRUYỀN NHIỆT TRUYỀN KHỐI CHỦ ĐỀ: TÌM HIỂU THIẾT BỊ HẤP THỤ LOẠI ĐĨA

LỚP: L03 NHÓM: 04 HK211 Giảng viên hướng dẫn: Th.S Bùi Thị Thảo Nguyên

BẢNG PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ

1 1912186 Võ Nguyễn Đông Thức Chương 3: Ứng dụng thực tiễnthiết bị hấp thụ loại tháp đĩa trưởngNhóm

2 1913213 Nguyễn Thị Thu Hà Chương 1: Giới thiệu về thiết bịhấp thụ loại tháp đĩa

3 1915007 Nguyễn Quốc Tài Chương 2: Ưu khuyết điểm của

thiết bị hấp thụ

4 1912712 Nguyễn Thị Ngọc Bích Mở đầu + Tổng kết

5 1912248 Nguyễn Thị Thùy Trang Chương 2: Nguyên lý hoạt động+ Tổng hợp bài làm word

MỤC LỤC

PHẦN MỞ ĐẦU 4

1 Khái quát 4

2 Mục tiêu nghiên cứu 5

3 Kết cấu nội dung 5

PHẦN NỘI DUNG 6

1 Giới thiệu về thiết bị hấp thụ 6

1.1 Hấp thụ là gì ? 6

1.2 Cơ sở vật lý của quá trình hấp thụ 7

1.3 Thiết bị hấp thụ 12

2 Thiết bị hấp thụ loại tháp đĩa 13

2.1 Phân loại 13

2.2 Cấu tạo 14

2.2.1 Tháp đĩa có ống chảy chuyền 14

2.2.2 Tháp đĩa không có ống chảy chuyền 15

2.3 Nguyên lý hoạt động của thiết bị hấp thụ loại đĩa 16

2.3.1 Đối với tháp đĩa có ống chảy chuyền 16

2.3.2 Đối với tháp đĩa không có ống chảy chuyền 21

2.4 Ưu điểm và khuyết điểm của thiết bị hấp thụ 23

2.4.1 Tháp hấp thụ dạng đĩa có ống chảy chuyền 23

2.4.2 Tháp hấp thụ dạng đĩa không có ống chảy chuyền 23

3 Ứng dụng thực tiễn của thiết bị hấp thụ loại tháp đĩa 25

PHẦN KẾT LUẬN 27

TÀI LIỆU THAM KHẢO 28

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Khái quát

Quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đã góp phần làm cho kinh tế các nướctrên thế giới phát triển và cùng nhau hòa nhập để phát triển các quốc gia trên thế giới.Với mục tiêu đẩy mạnh công nghiệp hóa, hiện đại hóa đã vô tình lãng quên đi nhiệm

vụ quan trọng nhất vẫn là bảo vệ bầu không khí Chính bởi sự đẩy mạnh khai thác cácnguồn công nghệ hiện đại đã dẫn đến hậu quả luôn khiến mọi quốc gia trên thế giới

cần phải cảnh giác - đó chính là vấn đề “Ô nhiễm môi trường” Ô nhiễm không khí có

từ các công trình, hoạt cộng công nghiệp ở các quốc gia trên thế giới, trong nhữngnăm gần đây ô nhiễm không khí đang là vấn đề cần được quan tâm không chỉ của nhànước mà còn là của toàn xã hội vì nó đã đến mức đỏ nguy cấp, đáng báo động

Trong quy trình, quá trình sản xuất hoạt động thì khí thải từ các nhà máy, xưởngsản xuất khí đốt từ các loại chất thải có chứa rất nhiều các thành phần độc hại như khíCFCs, HCFCs, CO, H2S, HCL, SO2, HF, tro, bụi và nhiều loại khí thải khác Tuynhiên các loại khí này gây ảnh hưởng lớn đến sức khỏe cũng như đời sống của conngười, gây ô nhiễm bầu khí quyển, làm ảnh hưởng đến môi trường xung quanh vậtnuôi, cây trồng Chính vì vậy việc trang bị một hệ thống xử lý khí thải là điều cần thiết

để đảm bảo cho các lò đốt chất thải, các nhà xưởng sản xuất không gây ô nhiễm bầukhông khí

Hệ thống xử lý khí thải có thể sử dụng phương pháp hấp thụ Trong phươngpháp hấp thụ có thể sử dụng chất hấp thụ tái sinh và chất hấp thụ không tái sinh Tuynhiên, việc sử dụng chất hấp thụ tái sinh tiết kiệm được các hóa chất, đồng thời thuđược các chất khí ô nhiễm dùng cho những công việc khác Thiết bị hấp thụ là thiết bịđược thiết kế, chế tạo sao cho hiệu suất là cao nhất Thiết bị tháp xử lý khí thải đãđược ứng dụng phổ biến trong các quy trình xử lý khí thải, có thể kể đến: tháp hấpthụ, tháp gia nhiệt Trong quá trình xử lý khí thải bằng phương pháp hấp thụ, nhiềuloại tháp được ưa chuộng và mang lại hiệu quả tốt nhất – cho chỉ số chất lượng không

khí sau xử lý chất thải đạt chuẩn Trong đó ta phải nói đến loại tháp đĩa, tháp đĩa ứngdụng nhiều trong công nghệ hóa học và thực phẩm Tháp đĩa có nhiều loại: tháp đĩasủi bọt, tháp đĩa lỗ và nhiều phương pháp khác Để hiểu rõ hơn về quy trình xử lý khíthải bài báo cáo này sẽ giúp hiểu sâu hơn về loại tháp hấp thụ dạng đĩa

2 Mục tiêu nghiên cứu

Thiết bị hấp thụ loại tháp đĩa

Tìm hiểu về khái niệm, cấu tạo, công dụng, nguyên lý hoạt động, các ưu nhượcđiểm và ứng dụng của thiết bị hấp thụ loại tháp đĩa

3 Kết cấu nội dung

Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo bài tiểu luận gồm 3 phần nộidung chính:

1 Giới thiệu về thiết bị hấp thụ

2 Thiết bị hấp thụ loại tháp đĩa

3 Ứng dụng thực tiễn của thiết bị hấp thụ loại tháp đĩa

Muốn sử dụng hỗn hợp khí này vào mục đích tổng hợp NH3 để sản xuất ure, taphải tách riêng từng cấu tử ra Hoặc quá trình hấp thụ tách butadien, acetylen trongphân đoạn hydrocacbon C4 trong quá trình chế biến khí

Có 3 phương pháp tách hỗn hợp khí:

1 Phương pháp tách hút

Phương pháp hút được hiểu là sự tiếp nhận của chất này vào một chất khác qua

bề mặt phân pha của chúng

Như vậy quá trình hấp thụ là quá trình hút khí bằng chất lỏng Khí được hút gọi

là chất bị hấp thụ, chất lỏng dùng để hút gọi là dung môi (hay chất hấp thụ), khí không

bị hấp thụ gọi là khí trơ

Quá trình hấp thụ được dùng để:

- Thu hồi các cấu tử quý

- 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 đểtách các cấu tử được hấp thụ ra khỏi dung môi và tái tạo lại dung môi Để thực hiệnquá trình nhã có thể dùng các phương pháp như đun nóng hay tiến hành quá trình ở ápsuất thấp

Quá trình hấp thụ được thực hiện tốt hay xấu phần lớn do tính chất của dung môiquyết định Một dung môi tốt cho quá trình hấp thụ cần:

- Có tính hòa tan chọn lọc (có ái lực với khí cần hấp thụ), nghĩa là chỉ hòa tan vớimột cấu tử, còn các cấu tử khác không có khả năng hòa tan hoặc hòa tan ít

- Độ nhớt của dung môi phải bé, để giảm trở lực và tăng hệ số chuyển khối

- Nhiệt dung riêng bé, để tiết kiệm nhiệt năng khi hoàn nguyên dung môi

- Có nhiệt độ sôi khác xa nhiệt độ sôi của cấu tử hòa tan, để dễ dàng phân riêngchúng khi tách (chưng luyện chẳng hạn)

- Có nhiệt độ đóng rắn thấp, để tránh hiện tượng đóng rắn làm tắc, nghẽn thiết bị

- Không tạo thành kết tủa khi hòa tan, để tắc thiết bị và dễ thu hồi

- Ít bay hơi để tránh tổn thất

- Rẻ tiền, không độc, không gây ăn mòn thiết bị

Tuy nhiên, trong thực tế không có dung môi nào đạt được các tiêu chuẩn đãnêu Vì vậy, khi chọn lựa dung môi cần phải dựa vào những điều kiện cụ thể của sảnxuất, nhưng điều kiện thứ nhất không thể thiếu được

1.2 Cơ sở vật lý của quá trình hấp thụ

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

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 tronglỏng hay nói một cách khác là phải biết mối quan hệ phụ thuộc giữa nồng độ khí ởtrong hỗn hợp khí và trong lỏng

Khí hòa tan trong lỏng sẽ tạo thành hỗn hợp hai cấu tử, có hai thành phần và haipha Theo qui tắc Gibbs: C = 2 - 2 + 2 = 2, được coi như hỗn hợp lỏng có hai thànhphần Cân bằng được xác định bởi áp suất, nhiệt độ và nồng độ Nếu nhiệt độ khôngđổi, thì độ hòa tan phụ thuộc vào áp suất Sự phụ thuộc này tuân theo định luật Henry-Dalton:

Phương trình đường nồng độ làm việc của quá trình hấp thụ

Phương trình đường làm việc của quá trình hấp thụ được lập trên cơ sở của lý thuyết hai lớp mảng Đó là lớp màng ngăn cách giữa pha lỏng và khí Qua lớp màng khí, khí trong hỗn hợp sẽ khuếch 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

Ta có:

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

Gtr: Lượng khí trơ, kmol/h

Lượng khí trơ được xác định theo công thức:

G tr=G y 1

1+Y d=G y(1− yd)

Phương trình cân bằng vật liệu trong tháp hấp thụ:

G tr (Y d−Y c)=G x (X C−X d)Lượng dung môi cần thiết:

với Xcb,đ: nồng độ cân bằng ứng với nồng độ đầu của hỗn hợp khí

Trong quá trình hấp thụ, lượng dung môi thực tế luôn lớn hơn lượng dung môi tối thiểu, thường lớn hơn 20% Nếu tính lượng dung môi theo 1kg khí trơ, có lượng dung môi tiêu hao riêng:

 Đường nồng độ làm việc của quá trình hấp thụ Nếu biểu diễn trên đồ thị Y-X là đường thẳng có hệ số góc tgα = A, và cắt trục tung tại B.

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 truyềnchất chung và phương trình đường nồng độ làm việc

Theo phương trình chuyển khối chung:

G = k Y.F∆.Ytb

Trong điều kiện nhất định G là lượng khí bị hấp thụ không đổi và hệ số truyềnchất ky không đổi Do đó bề mặt tiếp xúc pha F chỉ được thay đổi tương ứng với sựthay đổi ∆Ytb sao cho tích số F×∆Ytb là không đổi Bề mặt F thay đổi, tức kích thướcthiết bị thay đổi, lớn khi F tăng và nhỏ khi F giảm

Khi Yđ, Yc và Xđ cố định, thì nồng cuối dung môi được quyết định theo độnglực trung bình ∆Ytb , tức là điểm cuối của đường làm việc AB Điểm cuối của đườnglàm việc chỉ được dịch chuyển từ A đến A4 Đường làm việc BA4 cắt đường cânbằng, lúc này động lực trung bình nhỏ nhất Đường BA gần với trục tung, nên độnglực trung bình là lớn nhất

Hình 1.1: Mối quan hệ giữa 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 A=tgα= G x

G tr

bé nhất (có nghĩa là lượng dung môi bé nhất), còn ứng với với đường BA có

G tr lớn nhất (có nghĩa là lượng dung môi lớn nhất, vì lượng Gtr không đổi)

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 dungdịch thu được quá loãng (XC bé) Do đố khi chọn điều kiện làm việc ta phải dựa vàochỉ tiêu kinh tế kỹ thuật

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

Hình 1.2: Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất lên quá trình hấp thụ

Từ phương trình Henry ta thấy khi nhiệt độ tăng thì hệ số Henry tăng, đường cânbằng sẽ dịch chuyển về phía trục tung Vì vậy, nếu đường nồng độ làm việc AB khôngđổi thì động lực trung bình giảm, do đó cường độ truyền chất cũng giảm theo Nếutiếp tục tăng nhiệt độ, ví dụ đến t3 thì không những động lực trung bình giảm mà ngay

cả quá trình cũng không thể thực hiện được (vì đường cân bằng và đường làm việc cắtnhau, 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 trởlực 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 m = ψ P sẽ giảm, do đódường cân bằng sẽ dịch chuyển dần về phía trục hoành, tức động lực trung bình sẽtăng, quá trình truyền chất sẽ tốt hơn Nhưng sự tăng áp suất luôn luôn kèm theo sựtăng 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 ápcao đối với những khí khó hòa tan, ví dụ hấp thụ CO2 bằng nước tiến hành ở áp suấtkhoảng 17at, hoặc thu hồi CO ở áp suất 120at

1.3 Thiết bị hấp thụ

- Trong sản xuất người ta dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để thực hiện quátrình hấp thụ Tuy nhiên, chúng có cùng chung yêu cầu cơ bản là có bề mặt tiếp xúclớn để tăng hiệu suất 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)

- Trong tháp đĩa, chất lỏng đi từ trên xuống, còn khí đi từ dưới lên Chúng tiếpxúc và trao đổi chất với nhau tại mỗi bậc (đĩa), khác với tháp đệm là hai pha lỏng vàhơi 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 lỏngqua 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 đĩanày sang đĩa khác Khí và lỏng chuyển động riêng biệt nhau từ đĩa này sang đĩa khác.Bao gồm: tháp chóp, tháp đĩa lỗ, tháp xupap hay tháp đĩa rãnh chữ S

- Tháp đĩa không có ống chảy chuyền: khí và lỏng chuyển động từ đĩa này sangđĩa khác trên cùng một lỗ, do đó không có hiện tượng giảm chiều cao chất lỏng trênđĩa như các loại tháp có ống chảy chuyền Có nhiều loại tháp đĩa không có ống chảychuyền nhưng chủ yếu có 2 loại: đĩa lỗ và đĩa rãnh

2 Thiết bị hấp thụ loại tháp đĩa

2.1 Phân loại

Tháp đĩa có ống chảy chuyền: khí và lỏng chuyển động riêng biệt nhau từ đĩa

này sang đĩa khác Các loại tháp thường gặp trong sản xuất là: tháp chóp, tháp đĩa lỗ,tháp xupap hay tháp đĩa rãnh chữ S

Hình 2.1: Tháp đĩa có ống chảy chuyền

Tháp đĩa không có ống chảy chuyền: khí và lỏng cũng chảy 1 lỗ trên đĩa, do

đó không có hiện tượng giảm chiều cao chất lỏng trên đĩa như các loại tháp có ốngchảy chuyền Có nhiều loại tháp đĩa không có ống chảy chuyền nhưng chủ yếu có 2loại: đĩa lỗ và đĩa rãnh

Hình 2.2: Tháp đĩa không có ống chảy chuyền

2.2 Cấu tạo

Tháp đĩa bao gồm một vỏ đứng hình trụ thẳng đứng, bên trong đó có các tấmngăn (đĩa) cách nhau một khoảng nhất định Trên mỗi đĩa hai pha chuyển động ngượchoặc cheo chiều: lỏng đi từ trên xuống hoặc đi ngang; khí, hơi đi theo chiều từ dướilên hoặc xuyên qua chất lỏng chảy ngang

2.2.1 Tháp đĩa có ống chảy chuyền

Tháp đĩa có ống chảy chuyền bao gồm tháp đĩa, chóp, lỗ, xupap, lưới,… Trênđĩa có cấu tạo đặc biệt để lỏng đi từ đĩa trên xuống đĩa dưới theo đường riêng gọi làống chảy chuyền, đĩa cuối cùng ống chảy chuyền ngập sâu trong khối chất lỏng đáytháp tạo thành van thủy lực ngăn không cho khí ( hơi hay lỏng) đi theo ống lên đĩatrên

Pha khí (hơi hay lỏng) xuyên qua các lỗ, khe chóp, khe lưới, hay khe xupap sụcvào pha lỏng trên đĩa Để phân phối đều chất lỏng người ta dùng tấm ngăn điều chỉnhchiều cao mức chất lỏng trên đĩa.

Hình 2.3: Tháp đĩa có ống chảy chuyền

2.2.2 Tháp đĩa không có ống chảy chuyền

Tháp có cấu tạo hình trụ, bên trong đặt các đĩa cách nhau một khoảng cách nhấtđịnh Trong tháp, hai pha lỏng và khí chuyển động ngược chiều nhau: khí đi từ dướilên, lỏng đi từ trên xuống Khí và lỏng cùng chảy qua một lỗ trên đĩa, trong thápkhông có hiện thượng giảm chiều cao chất lỏng trên đĩa

Đĩa được cấu tạo bởi các ngăn và tấm phẳng, trên đĩa có nhiều lỗ tròn được bố tríđều Lỗ có đường kính từ 2-8mm phụ thuộc vào chất lỏng Tiết diện tự do của đĩađược lấy bằng 10 – 30% diện tích đĩa, tùy thuộc vào chất lỏng sạch (10%) hay bẩn(30%)

Hình 2.4: Tháp đĩa không có ống chảy chuyền

2.3 Nguyên lý hoạt động của thiết bị hấp thụ loại đĩa

2.3.1 Đối với tháp đĩa có ống chảy chuyền

Tháp đĩa chóp

Sự chuyển động của chất 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 lỏngtrên 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 sẽlàm bắn chất lỏng hoặc cuốn chất lỏng theo Hiện tượng bắn chất lỏng tất nhiên cònphụ thuộc nhiều yếu tố khác nữa như khoảng cách giữa các đĩa, khoảng cách giữa cácchóp, khối lượng riêng, cấu tạo và kích thước của chóp và của ống chảy chuyền

Hình 2.5: Tháp đĩa chóp

Chú thích: 1: ống chảy chuyền; 2: ống hơi; 3: đĩa; 4: tháp tròn

Tháp đĩa lưới (đĩa lỗ)

Tháp đĩa lưới hình trụ, bên trong có nhiều đĩa, có nhiều 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 trên đĩa