Giáo trình Quá trình hóa học và hóa lý trong kỹ thuật môi trường - Chương 4: Quá trình hấp thụ
Baøi giaûng Quaù trình coâng ngheä moâi tröôøng II
Chöông 4-Adsorption
Chöông 4
QUAÙ TRÌNH HAÁP PHUÏ
Adsorption Process
4.1 GIÔÙI THIEÄU QUAÙ TRÌNH HAÁP PHUÏ
Haáp phuï – Adsorption : laø quaù trình loâi cuoán moïât hay nhieàu caáu töû töø pha khí hay loûng
(chaát bò haáp phuï - adsorbate) bôûi chaát raén (chaát haáp phuï - adsorbent). Haáp phuï döïa treân
ñoä roãng cuûa chaát raén vôùi beà maët tieáp xuùc lôùn nhö thanh hoaït tính, silica gel ….
Khaû naêng haáp phuï cuûa beà maët ñöôïc giaûi thích bôûi traïng thaùi ñaëc bieät cuûa phaân töû treân beà
maët ranh giôùi phaân chia pha. Beân trong pha, moãi phaân töû chòu caùc löïc huùt cuûa phaân töû
cuûa pha naøy gioáng nhau theo moïi höôùng. Phaân töû naèm gaàn ranh giôùi phaân chia pha chòu
löïc huùt khoâng gioáng nhau cuûa phaân töû naèm trong pha khaùc. Do löïc taùc duïng khoâng caân
baèng neân caùc phaân töû ôû lôùp bieân coù haønh vi khaùc vôùi caùc phaân töû naèm beân trong pha.
Neáu löïc huùt toång coäng höôùng vaøo trong pha naøy thì traïng thaùi ñaëc bieät cuûa beà maët xuaát
hieän. Khi naøy, caùc phaân töû ñöôïc haáp phuï seõ laøm baõo hoaø moät phaàn beà maët chaát haáp phuï
vaø giaûm naêng löôïng töï do cuûa noù. Vì vaäy, quaù trình haáp phuï dieãn ra töï nhieân gioáng nhö
caùc quaù trình khaùc keøm theo söï giaûm naêng löôïng töï do.
Phuï thuoäc baûn chaát cuûa chaát khí (löu chaát) taùc duïng leân beà maët chaát raén, haáp phuï ñöôïc
chia ra laøm 2 loaïi:
Haáp phuï vaät lyù: Haáp phuï khoâng keøm theo phaûn öùng hoùa hoïc ñöôïc chia ra laøm haáp phuï
vaät lyù vaø haáp phuï hoaït tính. Trong haáp phuï vaät lyù, caáu töû giöõa caùc pha lieân keát vôùi nhau
nhôø caùc löïc vaät lyù. Vì vaäy, haáp phuï vaät lyù chính laø hieän töôïng töông taùc thuaän nghòch cuûa
caùc löïc huùt giöõa caùc phaân töû cuûa chaát raén vaø cuûa chaát bò haáp phuï. Quaù trình naøy ñi keøm
vôùi hieän töôïng phaùt nhieät, do ñoù quaù trình xaûy ra ôû nhieät ñoä thaáp, töông töï nhö quaù
trình ngöng tuï.
Trong caùc quaù trình xöû lyù moâi tröôøng, ñaëc bieät laø quaù trình xöû lyù khí thaûi vaø xöû lyù nöôùc
thaûi baäc cao, haáp phuï vaät lyù ñoùng vai troø raát quan
troïng.
Phaân töû bò haáp phuï seõ khueách taùn töø pha khí ñeán lôùp
bieân roài ñeán beà maët chaát haáp phuï, taïi ñaây chuùng bò giöõ
laïi baèng löïc huùt Van Der Waals. Nhieät ñöôïc giaûi phoùng
töông ñöông vôùi nhieät ngöng tuï. ÔÛ traïng thaùi baõo hoøa,
chaát bò haáp bao phuû toaøn boä beà maët chaát raén.
Haáp phuï vaät lyù coù theå coù nhieàu hôn moät lôùp chaát bò haáp
(hay caáu töû chính / adsorbate) bao xung quanh chaát raén.
DuMyLe
1
Baøi giaûng Quaù trình coâng ngheä moâi tröôøng II
Chöông 4-Adsorption
Trong quaù trình naøy, khoái löôïng rieâng cuûa chaát bò haáp phuï ôû traïng thaùi baõo hoøa ñaït ñeán
xaáp xæ khoái löôïng rieâng cuûa chaát bò haáp ôû traïng thaùi loûng.
Baûn chaát cuûa quaù trình haáp phuï vaât lyù ñöôïc mieâu taû theo hình döôùi ñaây.
Hình 4.1 - Baûn chaát cuûa quaù trình haáp phuï vaät lyù
DuMyLe
2
Baøi giaûng Quaù trình coâng ngheä moâi tröôøng II
Chöông 4-Adsorption
Moät hieän töôïng quan troïng khaùc xaûy ra laø ngöng tuï trong mao daãn. ÔÛ aùp suaát cao, khí vaø
hôi baét ñaàu ngöng tuï trong loã xoáp cuûa chaát haáp phuï. Löïc haáp phuï laøm giaûm aùp suaát hôi
trong mao daãn vaø do ñoù hôi coù theå bò ngöng tuï ôû nhieät ñoä cao hôn nhieät ñoä ngöng tuï cuûa
noù.
Haáp phuï hoùa hoïc: laø keøm theo lieân keát hoaù hoïc giöõa chaát ñöôïc haáp phuï vaø chaát haáp
phuï, keát quaû cuûa quaù trình naøy laø taïo thaønh lieân keát môùi. Quaù trình haáp phuï hoùa hoïc
thöôøng khoâng thuaän nghòch. Haáp phuï hoùa hoïc coù taàm quan troïng ñaëc bieät trong phaûn öùng
xuùc taùc.
Ví du:ï haáp phuï hoaù hoïc laø haáp phuï clo hoaëc photpho bôûi ñaù voâi.
Moät ñieàu ñaëc bieät quan troïng khi khaûo saùt quaù trình haáp phuï laø vaän toác haáp phuï dieãn ra
raát nhanh vôùi traïng thaùi caân baèng ñaït ñöôïc töùc thôøi.
Hình 4.2 - Söï di chuyeån cuûa caáu töû chính trong quaù trình haáp phuï
Baûng 4.1- Quaù trình haáp phuï vaø caùc loaïi chaát haáp phuï
Chaát haáp phuï
Zeolit
(molecular
sieves)
Than hoaït
tính
Nhoâm hoaït
tính
Silica gel
Chaát bò haáp phuï
Muøi
Daàu
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
X
X
X
X
X
Hydrocarbon
Fluorocarbon
Chlorinated hydrocarbon
Hôïp chaát S höõu cô
Dung moâi
x
x
X
H2O
X
Nguoàn: [MT073K], trang 162
DuMyLe
3
Baøi giaûng Quaù trình coâng ngheä moâi tröôøng II
Chöông 4-Adsorption
Haáp phuï ñöôïc öùng duïng roäng raõi trong caùc ngaønh coâng nghieäp nhö saáy khoâ khoâng khí
aåm, taùch vaø thu hoài ethyl acetate vaø toluene ra khoûi cellophane (giaáy boùng kính), thu hoài
caùc dung moâi coù giaù trò trong doøng khí, khöû caùc chaát ñoäc haïi trong khoâng khí nhö VOCs,
xöû lyù vaø laøm trong dung dòch cuõng nhö ñeå phaân rieâng hoãn hôïp khí vaø hôi, xöû lyù NH3
tröôùc thieát bò tieáp xuùc, saáy khí thieân nhieân, taùch hydrocarbon voøng thôm töø doøng khí coác
hoùa, trong saûn xuaát nhöïa, toång hôïp cao su, hoùa daàu vaø raát nhieàu caùc muïc ñích khaùc.
4.2 CHAÁT HAÁP PHUÏ
Baát kyø chaát raén naøo cuõng coù khaû naêng haáp phuï. Tuy nhieân trong coâng nghieäp chæ öùng
duïng chaát haáp phuï coù beà maët beân trong lôùn, bao goàm caùc loã xoáp (raõnh mao daãn) coù caùc
kích thöôùc khaùc nhau. Phuï thuoäc kích thöôùc loã xoáp trong chaát haáp phuï chuùng ñöôïc chia
ra laøm 3 loaïi: vi xoáp, chuyeån tieáp vaø vó xoáp.
Vi xoáp coù kích thöôùc gaàn nhö kích thöôùc cuûa phaân töû chaát ñöôïc haáp phuï. Baùn kính hieäu
duïng cuûa vi xoáp ñöôïc xaùc ñònh baèng phöông phaùp Rôn ghen trong khoaûng töø 5.10-10 ñeán
1.10-9 m (giôùi haïn treân cuûa vi xoáp laø 1,5.0-9 m).
Loã xoáp chuyeån tieáp coù baùn kính hieäu duïng lôùn hôn kích thöôùc phaân töû cuûa chaát ñöôïc haáp
phuï raát nhieàu, giao ñoäng trong khoaûng töø 1,5.10-9 – (1+2). 10-7 m.
Vó xoáp laø loã xoáp lôùn nhaát, baùn kính hieäu duïng lôùn hôn 2.10-7m. Chuùng laø caùc keânh vaän
chuyeån trong haït chaát haáp phuï.
Ña soá chaát haáp phuï coâng nghieäp (than hoaït tính, Silica gel…) ñöôïc aùp duïng roäng raõi trong
xöû lyù khí vaø taùi sinh dung moâi, laø chaát haáp phuï coù caáu truùc hoãn hôïp, loã xoáp cuûa chuùng coù
caùc kích thöôùc khaùc nhau.
Than hoaït tính: laø than ñöôïc xöû lyù ñaëc bieät ñeå giaûi phoùng khoûi caùc loã xoáp, caùc chaát nhöïa
vaø taêng beà maët haáp phuï. Nguyeân lieäu ñeå ñieàu chaát than hoaït tính laø caùc chaát coù nguoàn
goác thöïc vaät nhö goã, maït cöa, than goã, than buøn, voû haït deû, gaùo döøa, chaát thaûi cuûa saûn
xuaát giaáy vaø nguoàn goác ñoäng vaät nhö xöông, thòt, maùu, pheá thaûi cuûa saûn xuaát da.
Than nguyeân lieäu thu ñöôïc nhôø nung khoâ caùc vaät lieäu neâu treân. Than nguyeân lieäu chöa
hoat hoùa vì chuùng khoâng coù beà maët rieâng phaàn lôùn, do caùc caùc loã xoáp cuûa noù bò phuû bôûi
chaát nhöïa vaø caùc chaát khaùc. Söï chuyeån hoùa than nguyeân lieäu thaønh than hoaït tính ñöôïc
goïi laø söï hoaït hoùa. Coù nhieàu phöông phaùp hoaït hoùa nhöng baûn chaát cuûa quaù trình naøy laø
loaïi khoûi loã xoáp vaø beà maët than caùc saûn phaåm sinh ra do nung khoâ vaø taêng beà maët rieâng
cho söï môû roäng caùc loã xoáp ñaõ coù vaø taïo thaønh loã xoáp môùi.
Caùc loaïi than hoaït tính ñöôïc ñaëc tröng bôûi dieän tích beà maët rieâng, hoaït tính, khoái löôïng
rieâng vaø kích thöôùc haït. Chaát löôïng than hoaït tính phuï thuoäc nguyeân lieäu ban ñaàu vaø cheá
ñoä hoaït hoùa. Dieän tích beà maët rieâng thöôøng vaøo khoaûng 600-1700 m2/g than hoaït tính.
Ñoä aåm cuûa than khi xuaát xöôûng khoaûng 15%, coøn trong quaù trình löu tröõ coù theå taêng ñeán
DuMyLe
4
Baøi giaûng Quaù trình coâng ngheä moâi tröôøng II
Chöông 4-Adsorption
50% hoaëc lôùn hôn. Ñoä aåm caøng lôùn, hoaït tính than caøng giaûm. Khoái löôïng rieâng ñoå
ñoáng(*) cuûa than hoaït tính thöôøng dao ñoäng trong khoaûng 0,2-0,6 g/cm3.
Than hoaït tính ñöôïc öùng duïng ôû daïng haït coù kích thöôùc khaùc nhau (1-7mm) hoaëc ôû daïng
boät. Haït than thu ñöôïc hoaëc nhôø ñaäp than cuïc coù hình daïng baát kyø hoaëc do ñònh hình coù
daïng taám hay truï.
Chaát löôïng than hoaït tính phuï thuoäc nguyeân lieäu ban ñaàu vaø cheá ñoä hoaït hoùa. Ñoä aåm
laøm giaûm hoaït tính cuûa than. Than hoaït tính ñöôïc öùng duïng ôû daïng haït coù kích thöôùc
khaùc nhau (1-7mm) hoaëc ôû daïng boät. Haït than thu ñöôïc hoaëc nhôø ñaäp than cuïc coù hình
daïng baát kyø hoaëc do ñònh hình coù daïng taám hay truï.
Hình 4.3 - Than hoaït tính
Nhöôïc ñieåm cuûa than hoaït tính laø tính chaát chaùy. Ôû nhieät ñoä cao hôn 200oC trong moâi
tröôøng khoâng khí than coù theå chaùy. Do ñoù khi söû duïng than caàn phaûi caån thaån nhaát laø
than ôû daïng buïi. Khi haøm löôïng trong chaát khí 17-24g/m3 than buïi coù khaû naêng noå.
Khi thieát keá haáp phuï baèng than hoaït tính caàn löu yù:
• Caáu truùc loã xoáp: than hoaït tính gaùo döøa coù ñöôøng kính loã xoáp vaøo khoaûng 20 A0,
laø chaáp haáp phuï lyù töôûng cho VOCs coù khoái löôïng phaân töû beù. Than hoaït tính goã
DuMyLe
5
Baøi giaûng Quaù trình coâng ngheä moâi tröôøng II
Chöông 4-Adsorption
coù theå haáp phuï hydrocarbon coù KLPT thaáp nhö chaát caùc halogen vaø chaát coù KLPT
lôùn nhö thuoác tröø saâu.
• Ñoä aåm töông ñoái: khi ñoä aåm treân 50% seõ laøm giaûm hieäu quaû cuûa than do nöôùc laáp
ñaày caùc mao daãn. Ñeå giaûm ñoä aåm töông ñoái, ñaàu tieân ngöôøi ta söû duïng doøng khí
laïnh ñeå ngöng tuï hôi nöôùc, sau ñoù gia nhieät leân.
Baûng 4.2 - Tính chaát cuûa moät soá chaát haáp phuï
Nguoàn : [MT073K], trang 165
Silicagel
SiO2.nH2O
Silicagel ñöôïc öùng duïng ôû haït kích thöôùc 0,2-
7mm. Silicagen haùo nöôùc do ñoù laøm giaûm khaû
naêng haáp phuï caùc hôi dung moâi khaùc. So vôùi
than, Silica gel coù öu ñieåm nhö: Khoù chaùy (200-
4000C), beàn hôn vaø thôøi gian söû duïng laâu hôn.
Tuy nhieân, quaù trình taùi sinh silicagel phaûi thöïc
hieän ôû nhieät ñoä cao hôn vaø toán nhieät hôn quaù
trình taùi sinh than hoaït tính.
DuMyLe
6
Baøi giaûng Quaù trình coâng ngheä moâi tröôøng II
Chöông 4-Adsorption
Tính chaát cuûa silicagel kyõ thuaät:
Noàng ñoä SiO2
% khoái löôïng
Kg/m3
99,5
Khoái löôïng rieâng ñoå ñoáng
100-800
0,92
Nhieät dung rieâng
Heä soá daãn nhieät ôû 30oC
KJ/(kg.ñoä)
W/(m.ñoä)
0,2
Keo nhoâm vaø oxit nhoâm hoaït tính (Alumina): laø hoãn hôïp Al(OH)3 + Al2O3.nH2O
Keo nhoâm ñöôïc saûn xuaát do xöû lyù nhieät Al(OH)3 hoaëc Al2O3 hoaït hoaù ñöôïc öùng duïng ñeå
saáy khoâ vaø laøm xuùc taùc.
Tính chaát cuûa keo nhoâm kyõ thuaät:
Noàng ñoä Al2O3
% khoái löôïng
92
Khoái löôïng rieâng ñoå ñoáng
Dieän tích beà maët rieâng
Ñöôøng kính loã xoáp trung bình
Kg/m3
m2/g
Å
350-850
200-400
10-30
Molecular sieves
Laø caùc tinh theå Zeolit nhaân taïo CaO-2.Al2O3-5.SiO2 hay
Na2O-5.SiO2. chuùng ñöôïc söû duïng ñeå taùch aåm, taùch khí
vaø loûng trong hoãn hôïp hydrocarbon, ñöôïc taùi sinh baèng
nhieät.
Laø caùc khoaùng chaát ñöôïc ñaëc tröng bôûi coâng thöùc hoaù hoïc
Me2n o.Al2O3.xSiO2 .7H2O (Me: kim loaïi Na, Ca, n: hoaù trò
cuûa kim loaïi). Zeolit bao goàm nhieàu loaïi (bentonite…)
Zeolit coù raát nhieàu tính chaát coù ích nhö nöôùc lieân keát trong zeolit raát linh ñoäng, raát deã
taùch ra khi ñun noùng vaø cuõng deã ñöôïc haáp phuï trôû laïi. Zeolit khoâ coù theå haáp thu aåm cuûa
caùc chaát khaùc nhö coàn, ammoniac, moät soá boät maøu …
Zeolit laø caùc ionit khoâng tan trong nöôùc vaø trong caùc dung
moâi thoâng thöôøng, vaø laø caùc ion linh ñoäng neáu tieáp xuùc
vôùi dung dòch ñieän phaân, thay caùc ion cuûa mình baèng caùc
ion cuûa dung dòch ñieän phaân. Zeolit coù khaû naêng trao
ñoåi vôùi caùc cation. Zeolit coù ñöôøng kính loã xoáp raát nhoû
(saøng phaân töû) neân chæ haáp phuï caùc chaát coù kích thöôùc
phaân töû nhoû, khoâng tieáp nhaän caùc phaân töû lôùn. Zeolit
ñöôïc öùng duïng roäng raõi trong quaù trình saáy khí, taùch khí,
cuõng nhö xöû lyù nöôùc thaûi.
DuMyLe
7
Baøi giaûng Quaù trình coâng ngheä moâi tröôøng II
Chöông 4-Adsorption
Ñeå xöû lyù nöôùc, zeolit ñöôïc söû duïng ôû daïng boät vaø ñeå xöû lyù khí, zeolit ôû daïng quaû caàu,
vieân thuoác, hoaëc daïng haït kích thöôùc töø 1 – 5 mm.
Baûng 4.3 - Đặc tính vật lyù của một số chất hấp phụ tieâu bieåu (adsorbents)
(Nguồn: Adsorption Processes - Paul N. Cheremisinoff )
4.3 CAÂN BAÈNG PHA TRONG HAÁP PHUÏ
Caân baèng trong haáp phuï ñöôïc ñaëc tröng bôûi söï phuï thuoäc löôïng caáu töû chính bôûi moät ñôn
vò khoái löôïng (hoaëc theå tích) chaát haáp phuï vaøo nhieät ñoä vaø noàng ñoä caáu töû chính trong
hoãn hôïp khí – hôi (hoaëc trong dung dòch).
Haøm phuï thuoäc giöõa noàng ñoä caân baèng pha trong haáp phuï: X * = f (Y,T)
(4.1)
(4.2)
Khi nhieät ñoä khoâng ñoåi, phöông trình (4.1) coù daïng:
X * = f (Y)
X *
- tyû soá khoái löôïng chaát ñöôïc haáp phuï caân baèng vôùi noàng ñoä cuûa noù trong pha khí (kg
chaát ñöôïc haáp phuï / kg chaát haáp phuï)
Y
- tyû soá khoái löôïng chaát ñöôïc haáp phuï treân chaát haáp phuï pha khí hoaëc dung dòch (kg
chaát ñöôïc haáp phuï / kg khí trô (chaát loûng)ï).
Y
coù theå ñöôïc bieåu dieãn qua aùp suaát rieâng phaàn trong pha khí p:
X * = f ( p)
(4.3)
Haøm X * = f (Y) vaø X * = f ( p) laø daïng toång quaùt cuûa ñöôøng caân baèng trong haáp phuï
hoaëc ñöôøng ñaúng nhieät haáp phuï. Ñaúng nhieät haáp phuï laø ñaëc tính quan troïng cuûa chaát haáp
phuï. Daïng cuï theå cuûa ñöôøng naøy ñöôïc xaùc ñònh bôûi tính chaát vaø cô cheá töông taùc giöõa
chaát haáp phuï vaø chaát ñöôïc haáp phuï.
DuMyLe
8
Baøi giaûng Quaù trình coâng ngheä moâi tröôøng II
Chöông 4-Adsorption
Noàng ñoä X coù theå ñöôïc thay theá baèng ñaïi löôïng haáp phuï a (kg chaát ñöôïc haáp phuï /m3
chaát haáp phuï), coøn Y ñöôïc thay baèng aùp suaát rieâng phaàn p trong pha khí.
4.3.1 Caùc daïng ñöôøng haáp phuï ñaúng nhieät
Ñöôøng haáp phuï ñaúng nhieät laø nguoàn thoâng tin veà caáu truùc cuûa chaát haáp phuï, veà hieäu öùng
nhieät haáp phuï vaø caùc ñaëc tröng khaùc cuûa quaù trình.
Coù 5 daïng ñöôøng ñaúng nhieät haáp phuï chính (xem hình 4.4), ñöôïc moâ taû ôû daïng ñöôøng
cong a–p.
a
a
a
I
II
III
ps
ps
ps
p
p
p
Chuyeån tieáp
vi – vó xoáp
Vó xoáp
Vi xoáp
a
a
IV
V
ps
Vi – vó – vi xoáp
ps
p
p
vó – vi xoáp
ps: aùp suaát hôi baõo hoaø cuûa chaát ñöôïc haáp phuï
Hình 4.4 - Caùc daïng ñöôøng can baèng haáp phuï
Daïng I töông öùng haáp phuï ñôn phaân töû, 4 daïng coøn laïi laø haáp phuï ña phaân töû. Daïng I
thöôøng ñöôïc goïi laø daïng Langmuir, bôûi vì ñöôïc moâ taû baèng phöông trình Langmuir.
Daïng II goïi laø daïng chöõ S.
X
Neáu moâ taû ñöôøng ñaúng nhieät haáp phuï ôû daïng ñöôøng cong
- p thì ôû ñoaïn ñaàu gaàn nhö
thaúng (ñoái vôùi aùp suaát nhoû), coøn ôû cuoái ñöôøng cong tieán ñeán tieäm caän, ñoù laø noàng ñoä giôùi
haïn chaát ñöôïc haáp phuï trong chaát raén X ∞ (traïng thaùi baõo hoøa). Coøn ôû phaàn giöõa coù theå
moâ taû baèng phöông trình thöïc nghieäm Freudlich.
DuMyLe
9
Baøi giaûng Quaù trình coâng ngheä moâi tröôøng II
Chöông 4-Adsorption
4.3.1.1 Phöông trình ñaúng nhieät haáp phuï Freundlich
p = K.X n
X = k.p1/ n
Hoaëc
K, n, k – haèng soá xaùc ñònh baèng thöïc nghieäm hoaëc ôû daïng logarit
1
lg X = lg k + lg P
n
Neáu thay aùp suaát rieâng phaàn baèng noàng ñoä chaát ñöôïc haáp phuï trong pha khí hoaëc trong
dung dòch thì noàng ñoä caân baèng coù theå bieåu dieãn nhö sau:
X* = A.Y1/B
(kg chaát ñöôïc haáp phuï / kg chaát trô)
Phöông trình Freudlich ñöôïc öùng duïng ñoái vôùi caùc tính toaùn thöïc teá trong khoaûng aùp suaát
X
roäng, tuy nhieân seõ coù sai soá lôùn khi giaù trò X nhoû vaø khi
gaàn giaù trò baõo hoøa.
Chính xaùc hôn phöông trình Freundlich laø phöông trình Langmuir.
4.3.1.2 Phöông trình haáp phuï Langmuir
p
X * = X ∞
p + b
Phöông trình treân moâ taû ñuùng thöïc nghieäm bôûi vì khi p nhoû, p << b thì (p + b) ≈ b , khi ñoù
p
X * tæ leä thuaän vôùi p, khi p cao, p >> b thì
≈ 1, do ñoù X * = X ∞ .
p + b
Phöông trình Langmuir chæ moâ taû ñuùng döõ lieäu thöïc nghieäm ñoái vôùi ñöôøng ñaúng nhieät
haáp phuï daïng I. Tuy nhieân, phöông trình naøy vaãn ñöôïc söû duïng ñeå tính toaùn gaàn ñuùng
ñoäng löïc haáp phuï.
4.3.2 Xaùc ñònh ñaúng nhieät haáp phuï hôi theo ñaúng nhieät haáp phuï chaát chuaån
Neáu coù ñöôøng ñaúng nhieät haáp phuï hôi chaát chuaån ôû nhieät ñoä T1 thì coù theå tính ñöôïc ñaúng
nhieät haáp phuï cuûa hôi khaùc ôû nhieät ñoä T2 baát kyø. Ñaïi löôïng haáp phuï tính theo coâng thöùc:
v1
a2* = a1*
v2
*
a1
a2
: Tung ñoä ñaúng nhieät haáp phuï chaát chuaån, kg/kg chaát haáp phuï
: Tung ñoä ñaúng nhieät haáp phuï hôi caàn xaùc ñònh, kg/kg chaát haáp phuï
*
v1, v2 : Theå tích mol chaát chuaån vaø chaát caàn nghieân cöùu,
Vôùi: M
: Khoái löôïng phaân töû cuûa chaát ñöôïc haáp phuï, kg/kmol
ρ
: Khoái löôïng rieâng cuûa chaát ñöôïc haáp phuï ôû traïng thaùi loûng, kg/m3
DuMyLe
10
Baøi giaûng Quaù trình coâng ngheä moâi tröôøng II
Chöông 4-Adsorption
M
, m3/kmol
v =
ρ
Coøn aùp suaát tính theo coâng thöùc:
P
T1
s1
lg p2 = lg P − βa lg
s2
T2
p1
p1, p2 – aùp suaát rieâng phaàn cuûa chaát chuaån vaø chaát nghieân cöùu, mmHg
Ps,1, Ps,2 – aùp suaát baõo hoaø hôi chaát chuaån vaø chaát nghieân cöùu ôû nhieät ñoä T1, T2, mmHg
βa
- heä soá aùi löïc
Ñoái vôùi hôi: coù theå tính gaàn ñuùng theo coâng thöùc
v2
βa =
v1
Coâng thöùc naøy khoâng aùp duïng cho chaát khí.
P
Ñoái vôùi khí vaø hôi: βa =
P
o
P
Neáu thay C =
, kg/m3 vaøo coâng thöùc treân, ta coù:
RT
Cs
T1
1
lgC2 = lgCs − βa . .lg
2
T2
C1
4.3.3 Hoaït tính cuûa chaát haáp phuï
Khaû naêng haáp phuï chaát naøo ñoù cuûa chaát haáp phuï ñöôïc goïi laø hoaït tính cuûa chaát haáp phuï,
ñöôïc chia ra laøm hoaït tính haáp phuï tónh vaø ñoäng.
Hoaït tính tónh (hoaëc hoaït tính caân baèng) at (hoaëc a*) laø löôïng chaát ñöôïc haáp phuï ôû traïng
thaùi caân baèng bôûi 1 ñôn vò khoái löôïng hoaëc theå tích chaát haáp phuï ôû ñieàu kieän xaùc ñònh
trong pha khí (hoaëc loûng) trong ñieàu kieän ñöùng yeân.
Hoaït tính ñoäng añ laø löôïng chaát ñöôïc haáp phuï bôûi 1 ñôn vò khoái löôïng hoaëc theå tích chaát
haáp phuï khi tieáp xuùc doøng khí (hoaëc loûng) ñeán thôøi ñieåm chaûy tröôït.
Thôøi ñieåm tröôït ñöôïc ñònh nghóa laø thôøi ñieåm phaùt hieän chaát ñöôïc haáp phuï trong doøng
khí ra. Chaûy tröôït baét ñaàu sau moät thôøi gian hoaït ñoäng naøo ñoù khi beà maët chaát haáp phuï
ñaõ bò baõo hoøa chaát ñöôïc haáp. Hoaït tính chaát haáp phuï phuï thuoäc nhieät ñoä vaø noàng ñoä.
Hoaït tính ñoäng luoân nhoû hôn tónh ( añ < a* ). Löu löôïng chaát haáp phuï trong thieát bò xaùc
ñònh theo hoaït tính ñoäng cuûa chaát haáp phuï ( añ ~ 80%at ).
DuMyLe
11
Baøi giaûng Quaù trình coâng ngheä moâi tröôøng II
Chöông 4-Adsorption
4.4 CÔ SÔÛ TÍNH TOAÙN QUAÙ TRÌNH HAÁP PHUÏ
4.4.1 Caân baèng vaät chaát
Khaûo saùt moät quaù trình haáp phuï oån ñònh, caùc tham soá quaù trình khoâng thay ñoåi theo thôøi
gian. Doøng khí chöùa chaát ñöôïc haáp phuï cho ñi qua lôùp chaát haáp phuï vôùi vaän toác ω .
Goïiε laø theå tích roãng cuûa lôùp chaát haáp phuï ( theå tích khoâng gian giöõa caùc haït chaát haáp
phuï trong moät ñôn vò theå tích lôùp chaát haáp phuï). Nhö vaäy trong moät nguyeân toá theå tích
dV cuûa lôùp chaát haáp phuï coù:
dV.(1− ε) : theå tích chieám choã cuûa chaát haáp phuï
dV.ε :
theå tích roãng
Phöông trình caân baèng vaät chaát theo chaát ñöôïc haáp phuï cho moät nguyeân toá theå tích
∂C
∂l
∂a
∂τ
∂C
∂τ
⎛
⎝
⎞
⎠
− ω.
.dV.dτ − .(1− ε).(dV ).dτ =
.ε.(dV ).dτ
⎜
⎟
∂C
∂l
∂a
∂τ
∂C
∂τ
⎛
⎝
⎞
⎟
hay − ω.
−
.(1− ε) =
.ε.
⎜
⎠
Ñoái vôùi quaù trình ngöôïc doøng lieân tuïc :
L(ac − ad ) = G(Cd − Cc )
G(Yd −Y c ) = L( Xc − X d )
Trong ñoù:
G – löu löôïng chaát mang khí hoaëc loûng, kg/s;
L – löu löôïng chaát haáp phuï, kg/s;
Y, X - noàng ñoä kg/kg tyû soá khoái löôïng.
Ñoái vôùi maët caét baát kyø:
L
− L
G
Y = .X + (
.X ñ + Y ñ )
G
4.4.2 Nhieät haáp phuï
Khi haáp phuï coù söï gia taêng nhieät ñoä trong heä, quaù trình naøy phuï thuoäc : vaän toác doøng,
noàng ñoä, nhieät dung rieâng vaø ñoä daãn nhieät cuõng nhö thaát thoaùtnaêng löôïng vaøo moâi
tröôøng xung quanh vaø nhieät sinh ra trong quaù trình haáp phuï.
Nhieät haáp phuï bôûi than
Quaù trình haáp phuï thöôøng toaû nhieät vôùi löôïng ñaùng keå, laøm noùng than, doøng khí vaø aûnh
höôûng xaáu ñeán tieán trình phaûn öùng. Löôïng nhieät toûa ra phuï thuoäc chaát ñöôïc haáp phuï vaø
trong nhieàu tröôøng hôïp khoâng theå boû qua.
DuMyLe
12
Baøi giaûng Quaù trình coâng ngheä moâi tröôøng II
Chöông 4-Adsorption
Nhieät haáp phuï ñöôïc chia laøm 2 loaïi: nhieät tích phaân vaø nhieät vi phaân. Nhieät haáp phuï tích
phaân laø toaøn boä löôïng nhieät sinh ra trong quaù trình haáp phuï, nhieät haáp phuï vi phaân laø
löôïng nhieät sinh ra trong töøng giai ñoaïn cuûa quaù trình.
Neáu kyù hieäu nhieät haáp phuï tích phaân laø q vaø nhieät haáp phuï vi phaân laø qo thì moái quan heä
giöõa q vaø qo ñöôïc bieåu dieãn nhö sau:
∂q
∂a
qo =
Trong tính toaùn quaù trình haáp phuï, ngöôøi ta thöôøng quan taâm nhieät tích phaân, ñöôïc goïi
ñôn giaûn laø nhieät haáp phuï. Nhieät haáp phuï phuï thuoäc vaøo löôïng chaát ñöôïc haáp phuï vaø xaùc
ñònh theo phöông trình thöïc nghieäm.
q = m.an
q:
a:
Nhieät haáp phuï, kcal/kg than
Löôïng chaát ñöôïc haáp phuï, l/kg than
m,n: haèng soá
Moái quan heä giöõa nhieät haáp phuï vaø nhieät ñoä soâi ñöôïc bieåu dieãn theo coâng thöùc :
q
= const
Ts
Vôùi: q:
Ts:
nhieät haáp phuï tính baèng kcal/kg than.
nhieät ñoä soâi cuûa chaát ñöôïc haáp phuï ôû aùp suaát khí quyeån.
Tyû soá naøy phuï thuoäc vaøo baûn chaát cuûa chaát haáp phuï ñoái vôùi than. Trong tröôøng hôïp
khoâng coù döõ lieäu thöïc nghieäm, coù theå söû duïng coâng thöùc tính gaàn ñuùng nhieät haáp phuï:
q
= 520
Ts
4.5 ÑOÄNG HOÏC QUAÙ TRÌNH HAÁP PHUÏ
Quaù trình haáp phuï goàm 3 giai ñoaïn:
1. Khueách taùn ngoaøi hoaëc khueách taùn phaân töû caáu töû töø doøng khí ñeán beà maët chaát
raén qua lôùp phim khí bao quanh.
2. Khueách taùn trong hoaëc khueách taùn phaân töû caáu töû vaøo saâu beân trong theo caùc loã
xoáp cuûa chaát raén ñeán beà maët haáp phuï cuûa noù.
3. Haáp phuï treân beà maët beân trong cuûa chaát raén.
DuMyLe
13
Baøi giaûng Quaù trình coâng ngheä moâi tröôøng II
Chöông 4-Adsorption
4.5.1 Vaän toác haáp phuï
Söï haáp phuï treân beà maët dieãn ra raát nhanh, gaàn nhö töùc thôøi neân coù theå cho raèng, ñoäng
hoïc haáp phuï ñöôïc xaùc ñònh bôûi vaän toác khueách taùn trong vaø ngoaøi.
1. Khueách taùn ngoaøi
Ñaëc tröng cho quaù trình khueách taùn ngoaøi (bao goàm khueách taùn phaân töû vaø khueách taùn
ñoái löu) laø heä soá truyeàn khoái pha loûng (khí) β. β ñöôïc ñònh nghóa laø löôïng caáu töû ñöôïc
vaän chuyeån töø doøng khí ñeán beà maët ngoaøi chaát haáp phuï treân 1 ñôn vò theå tích chaát raén
trong 1 ñôn vò thôøi gian khi ñoäng löïc baèng 1.
da
= β(C − Cs )
dτ
Ñôn vò ño löôøng cuûa β
kg
⎡
⎣
⎤
⎦
da
dτ
C − Cs
3
⎢
⎥
1
m .s
⎡ ⎤
β =
=
=
⎢ ⎥
kg
s
⎣ ⎦
⎡
⎤
3
⎢
⎥
m
⎣
⎦
2. Khueách taùn trong
Trong pha raén khoâng coù ñoái löu vaø söï dòch chuyeån chaát saâu vaøo trong chaát raén ñeán beà
maët haáp thu ñöôïc thöïc hieän nhôø söï daãn chaát. Moät caùch gaàn ñuùng, quaù trình daãn chaát ñöôïc
bieãu dieãn töông töï nhö khueách taùn phaân töû:
da
dC
dn
= −k
dτ
k – heä soá daãn chaát.
da
= β(C − C )
Vì vaäy vaän toác haáp phuï thöôøng ñöôïc xaùc ñònh baèng phöông trình
.
s
dτ
Vaän toác quaù trình haáp phuï phuï thuoäc ñieàu kieän beân ngoaøi (söï vaän chuyeån chaát caàn haáp
phuï ñeán beà maët) vaø beân trong (trong haït chaát haáp phuï). Vaän toác truyeàn khoái beân ngoaøi
ñaëc tröng bôûi cheá ñoä thuûy ñoäng cuûa quaù trình, coøn beân trong bôûi caáu truùc chaát haáp phuï vaø
tính chaát hoùa lyù cuûa heä.
Ñoäng hoïc truyeàn khoái beân ngoaøi:
dM = Ky (Y −Y * )dF
*
da
= β(C − C )
dτ
DuMyLe
14
Baøi giaûng Quaù trình coâng ngheä moâi tröôøng II
Chöông 4-Adsorption
Trong ñoù:
C:
a:
kg/m3 khí trô
noàng ñoä chaát ñöôïc haáp phuï trong chaát raén, kg/m3 chaát haáp phuï
β:
heä soá truyeàn khoái, 1/s.
Heä soá truyeàn khoái toång quaùt K phuï thuoäc heä soá truyeàn khoái trong pha khí (loûng) β vaø heä
soá daãn chaát k, nghóa laø phuï thuoäc khueách taùn beân ngoaøi vaø beân trong chaát haáp phuï.
1
Rhp =
Ñaët:
, trôû löïc quaù trình haáp phuï, khi ñoù Rhp ñöôïc xem laø toång trôû löïc cuûa
K
khueách taùn ngoaøi vaø khueách taùn trong.
Rhp = Rng + Rtr
1
R ≈ R =
Neáu trôû löïc khueách taùn trong nhoû:
, khi ñoù, K = β. Tröôøng hôïp naøy
hp
ng
β
Thöôøng gaëp trong thöïc teá. Tuy nhieân, trong moät soá tröôøng hôïp khueách taùn trong ñoùng vai
troø ñaùng keå, nhaát laø khi ñoä baõo hoaø chaát raén cao.
Trong thöïc teá raát khoù ñaùnh giaù söï aûnh höôûng cuûa khueách taùn trong vaø ngoaøi, do ñoù, β
ñöôïc xaùc ñònh baèng thöïc nghieäm. Heä soá β phuï thuoäc caùc thoâng soá hình hoïc, vaät lyù vaø
thuûy ñoäng cuûa quaù trình vaø ñöôïc xaùc ñònh nhôø lyù thuyeát ñoàng daïng.
4.5.2 Caùc phöông trình chuaån soá xaùc ñònh β
4.5.2.1 Ñoái vôùi quaù trình haáp phuï khí qua lôùp chaát haáp phuï ñöùng yeân
Neáu:
Nu = 0,883Re0,47(Pr)0,33
Re < 30
Nu = 0,53Re0,64(Pr)0,33
Re = 30 ÷ 150
l2
Nu = β.
Vôùi
.
D
Kích thöôùc hình hoïc trong caùc phöông trình chuaån soá naøy laø ñöôøng kính töông ñöông, xaùc
ñònh theo coâng thöùc:
4ε
f
l = de =
Trong ñoù:
ε :
ñoä roãng cuûa lôùp chaát haáp phuï
f:
dieän tích beà maët rieâng chaát haáp phuï
DuMyLe
15
Baøi giaûng Quaù trình coâng ngheä moâi tröôøng II
Chöông 4-Adsorption
Suy ra
D.(ω)0,47
ν
β = 1,4
.Pr0,33
0,47de0,53
D.(ω)0,64
ν
β =
.Pr0,33
0,64de0,36
Ñoái vôùi chaát haáp phuï daïng haït caàu vaø ñoä roãng ε = 0,375
de = 0,4d
ω - vaän toác doøng, m/s.
4.5.2.2 Ñoái vôùi quaù trình haáp phuï trong taàng soâi
Nu = 46,25.10−6.Re1,67
d 2
Nu = β.
D
4.5.2.3 Ñoái vôùi quaù trình haáp phuï hôi baèng than hoaït tính
d = 1,7 ÷ 2,2 mm
ω = 0,3 ÷ 2 m/s
Nu = 1,6Re0,54
D.(ω )0,54
ν
β = 1,6
0,54 d 0,46
4.5.3 Phöông trình Silov
Cô cheá quaù trình haáp phuï
Doøng khí coù noàng ñoä C0 ñi vaøo lôùp than. Theo ñöôøng ñi cuûa doøng qua lôùp chaát haáp phuï,
caáu töû ñöôïc haáp phuï töøng phaàn, noàng ñoä trong doøng khí seõ giaûm.
Chieàu cao H0 ñöôïc goïi laø lôùp laøm vieäc.
Giai ñoïan 1: ñöôøng cong phaân boá noàng ñoä khoâng thay ñoåi hình daïng vaø vò trí theo chieàu
cao lôùp haáp phuï. Giai ñoaïn naøy tieáp dieãn cho ñeán khi lôùp chaát haáp phuï ñaàu tieân bò baõo
hoaø.
Giai ñoaïn 2: Baét ñaàu töø thôøi ñieåm naøy do lôùp chaát haáp phuï noái tieáp bò baõo hoaø neân
ñöôøng cong phaân boá noàng ñoä dòch chuyeån theo höôùng chieàu cao lôùp haáp phuï nhöng
khoâng thay ñoåi hình daïng.
DuMyLe
16
Baøi giaûng Quaù trình coâng ngheä moâi tröôøng II
Chöông 4-Adsorption
Neáu chieàu daøy lôùp haáp phuï laø H, khi lôùp haáp phuï baõo hoaø baèng (H – H0), nghóa laø ôû ñaàu
ra xuaát hieän caáu töû thì thôøi ñieåm naøy ñöôïc goïi laø thôøi ñieåm tröôït.
C
C
C0
C0
H
H
H0
H0
Hình 4.5. Söï bieán ñoåi noàng ñoä pha khí trong giai ñoaïn 1 vaø giai ñoaïn 2
C
Co
Thôøi ñieåm tröôït
H
H0
H - H0
H
Hình 4.6. Ñöôøng cong phaân boá noàng ñoä pha khí theo chieàu cao lôùp haáp phuï
C
Co
τ
τtröôït
τlv
Hình 4.7. Ñöôøng cong noàng ñoä pha khí ôû ñaàu ra
Neáu vaän toác haáp phuï voâ cuøng lôùn, caáu töû ñöôïc haáp phuï töùc thôøi thì löôïng chaát haáp phuï
ñöôïc tính theo coâng thöùc:
M = at .V = at .S.H
DuMyLe
17
Baøi giaûng Quaù trình coâng ngheä moâi tröôøng II
Chöông 4-Adsorption
at :
V:
S:
ñoä haáp thuï baõo hoøa tónh;
theå tích chaát haáp phuï,m3.
dieän tích maët caét ngang lôùp chaát haáp phuï, m2.
H:
chieàu cao lôùp chaát haáp phuï, m.
Maët khaùc, theo thôøi gian, löôïng chaát ñöôïc haáp phuï ñöôïc tính theo coâng thöùc
M = ω.S.Co .τ '
at .H
τ'=
Suy ra
ω.C0
Nhö vaäy, thôøi gian haáp phuï hoaëc thôøi gian laøm vieäc an toaøn cuûa lôùp haáp phuï phuï thuoäc
chieàu cao H.
Ñoái vôùi haáp phuï töùc thôøi, τ ' = m.H laø ñöôøng thaúng ñi qua goác toïa ñoä.
(laøm vieäc an toaøn)
τ
at
= ∞
ω.Co
≠ ∞
H
H0
Vì vaän toác haáp phu khoâng theå ñaït ∞, thôøi gian haáp phuï an toaøn τ cuûa lôùp haáp phuï chieàu
cao H nhoû hôn thôøi gian haáp phuï an toaøn τ’ khi vaän toác haáp phuï Æ ∞. Söï cheânh leäch naøy
ñöôïc goïi laø söï toån thaát thôøi gian laøm vieäc an toaøn, kyù hieäu laø τ0.
Coù: τ = τ’ – τ0
at H
τ =
−τ0
ω.Co
at
K =
Ñaët :
hoaëc
- heä soá laøm vieäc an toaøn cuûa lôùp
ω.Co
τ = KH −τo
DuMyLe
18
Baøi giaûng Quaù trình coâng ngheä moâi tröôøng II
Chöông 4-Adsorption
τo
K
Ñaët : h =
– lôùp haáp phuï khoâng ñöôïc söû duïng, lôùp cheát, ñöôïc xaùc ñònh baèng thöïc
nghieäm.
Do ñoù:
τ = K(H − h)
4.5.4 Phöông trình Maikals
Ñaët v: löu löôïng theå tích doøng khí (loûng) , m3/s
v = ω.S
f: tyû leä dieän tích phaàn gaïch cheùo ôû hình treân toaøn boä dieän tích hình chöõ nhaät abcd
h
f =
Ho
YÙ nghóa:
: Theå tích khí qua lôùp haáp phuï tính ñeán thôøi ñieåm tröôït, m3
Vτ
Vτ = v.τ
Va = Vl −Vτ
Ñaët:
Vl: theå tích khí qua lôùp haáp phuï trong thôøi gianτ , m3
cb
τcb : thôøi gian laøm vieäc cuûa lôùp haáp phuï ñeán khi xuaát hieän noàng ñoä caân baèng, s.
Vl = v.τcb
Theo phöông trình Silov:
at
at .S
v.Co
τ = K(H − h) =
(H − Ho . f ) =
(H − Ho . f )
ω.Co
at .S
V = v.τ =
(H − Ho . f )
Suy ra
Hoaëc:
τ
Co
at .S
K ' =
V = K '.(H − H . f )
(
)
τ
o
Co
Va = K '.Ho
Va
Vτ
=
Ho H − Ho . f
Va
Ho =
.H
Suy ra:
Vτ +Va . f
DuMyLe
19
Baøi giaûng Quaù trình coâng ngheä moâi tröôøng II
Chöông 4-Adsorption
Va = Vl −Vτ = v.τcb − v.τ = v(τcb −τ)
Thay
(τcb −τ)
Ho =
.H
τ +
(
τcb −τ
)
. f
4.5.5 Chieàu cao lôùp haáp phuï laøm vieäc Ho
Chieàu cao lôùp haáp phuï laøm vieäc Ho ñöôïc tính baèng coâng thöùc thöïc nghieäm vôùi noàng ñoä
pha khí khoâng ñoåi nhö sau:
Ho = B3.d. ω
Haèng soá B3 phuï thuoäc tính chaát chaát haáp phuï vaø chaát ñöôïc haáp phuï vaø baèng chieàu daøy
lôùp laøm vieäc khi ñöôøng kính haït chaát haáp phuï vaø vaän toác doøng khí baèng 1.
Chuyeån ñoåi ñoái vôùi chieàu daøy lôùp laøm vieäc nhö sau:
d2 ω2
d1 ω1
Ho = Ho
.
12
1
Moät soá giaù trò tham khaûo veà chieàu daøy lôùp laøm vieäc cho trong baûng sau:
Chaát ñöôïc haáp phuï Co, g/m3 ω, m/ph D, mm
Ho, m
0,030
0,300
0,026
0,023
0,030
Clor
2,0
5,0
2,4
3,0
3,0
5,0
2,25
10,00
2,00
1,50
2,75
32,6
1,5
6,6
CCl4
15,0
4.6 TÍNH TOAÙN THIEÁT BÒ HAÁP PHUÏ
4.6.1 Phöông trình thöïc nghieäm ñeå tính quaù trình haáp phuï
Thöïc nghieäm cho thaáy, ñoái vôùi cuøng moät heä caáu töû vaø chaát haáp phuï, neáu noàng ñoä vaø
nhieät ñoä doøng khí khoâng thay ñoåi thì coù tyû leä sau:
K1ω1 = K2ω2 = ... = Knωn = const = B1
Ki: Heä soá laøm vieäc an toaøn cuûa lôùp than (ph/m)
τo . ω1 τo . ω2
τo . ωn
1
2
n
=
= ... =
= const = B2
vaø
d1
d2
dn
B1, B2:
ñaëc tính ñoäng hoïc cuûa quaù trình haáp phuï
DuMyLe
20
Tải về để xem bản đầy đủ
28 trang
28/04/2022
5100
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Quá trình hóa học và hóa lý trong kỹ thuật môi trường - Chương 4: Quá trình hấp thụ", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- giao_trinh_qua_trinh_hoa_hoc_va_hoa_ly_trong_ky_thuat_moi_tr.pdf
- 2.Vi_du_tinh_toan_qua_trinh_hap_phu.pdf
- 3.Bai_tap_qua_trinh_hap_phu-k2011-2014.pdf
