ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM
BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
ooOoo
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP
HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM
GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy Cường Trang: 1
ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM
1. Tên đề tài
Thiết kế tháp đệm hấp thu NH
3
với năng suất 1000m
3
/h.
2. Nhiệm vụ
Xử lý khí NH
3
thải ra từ các nhà máy sản xuất hóa chất và các nhà máy sản
xuất phân bón bằng phương pháp hấp thu với dung môi là nước.
3. Các số liệu ban đầu
- Lưu lượng khí thải: 1000 m
3
/h.
- Nồng độ NH
3
ban đầu: 10% thể tích.
- Áp suất làm việc: 1atm.
- Dùng nước sạch để hấp thu ở nhiệt độ: 20
0


Ngày Tháng Năm 2011
Ký tên
GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy Cường Trang: 4
ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM
LỜI NÓI ĐẦU
Amoniac là một hóa chất dùng phổ biến trong nhiều ngành công nghiệp khác
nhau. Sự phát xạ của không khí có chứa amoniac vào khí quyển mà không có biện
pháp xử lý, gây ảnh hưởng không tốt đến sức khỏe con người và môi trường.
Một phương pháp có hiệu quả cao để xử lý amoniac từ khí thải là yêu cầu
cấp thiết. Những nguồn thải ra khí amoniac bao gồm: quá trình sản xuất phân bón,
quá trình điều chế than cốc sử dụng phương pháp khôi phục sản phẩm phụ, sự đốt
cháy nguyên liệu hóa thạch, quá trình chăn nuôi và những hệ thống làm lạnh sử
dụng amoniac như một môi chất lạnh….Người ta có thể kiểm soát được lượng
amoniac ở những quá trình này bằng nhiều cách như: sử dụng tháp lọc khí ẩm, sử
dụng phương pháp nước ngưng để loại bỏ khí, khôi phục và tái chế những dòng
thải, những hệ thống thu nạp Trong đồ án này, em xin trình bày phương pháp
sử dụng tháp đệm để hấp thu NH

. Hiện tượng tan nhiều của NH
3
ở trong nước được
giải thích bằng sự liên kết hydro giữa phân tử NH
3
và phân tử H
2
O.
– Amoniac đóng góp đáng kể vào dinh dưỡng nhu cầu của các sinh vật trên
mặt đất bằng cách phục vụ như là một tiền thân của thực phẩm và phân bón.
Amoniac trực tiếp hay gián tiếp cũng là một khối xây dựng để tổng hợp nhiều
dược phẩm.
– Amoniac được sử dụng trong thương mại thường được gọi là khan amoniac.
Thuật ngữ này nhấn mạnh đến sự vắng mặt của nước trong vật liệu. Bởi vì NH
3
sôi ở –33,34°C (–28,012°F), chất lỏng phải được lưu trữ dưới áp lực cao hoặc ở
nhiệt độ thấp.
1.2.
Phân loại
Amoniac có hai loại, loại 1 dùng cho các máy lạnh và loại 2 dùng làm
nguyên liệu trong công nghiệp hóa chất. Chúng có yêu cầu về chất lượng khác
nhau:
Hàm lượng các chất Đơn vị Loại 1 Loại 2
Amoniac
Lượng tạp chất tối đa
Hơi ẩm
Dầu
%
%
mg/l

– Ở trạng thái rắn amoniac kết tinh mạng lập phương tâm mặt:
Phân tử NH
3
có cấu tạo hình tháp tam giác với d
N–H
= 1,015
0
A
và góc hóa trị
HNH = 107
0
3, tương ứng cấu hình electron như sau:
( ) ( )
( )
( )
2
2 2 2
s x y z
σ σ σ σ
Do sự lai hóa sp
3
của nguyên tử nitơ mà cặp electron hóa trị tự do (ở N) phân
bố trên 1 sp
3
được định hướng rõ rệt trong không gian, vì vậy phân tử NH
3
rất dễ
cho cặp electron đó tạo nên liên kết cho – nhận (liên kết phối trí) với các nguyên
tử khác và liên kết có độ phân cực lớn
3

2
O. Dưới áp suất lớn, hỗn hợp amoniac và oxi có thể nổ:
0
3 2 2 2
3
2NH + O N + 3H O ΔH = - 768,6kJ/mol
2
→
Nếu có chất xúc tác là platin hay hợp kim platin – rodi ở 800 – 900
o
C thì khí
amoniac bị O
2
không khí oxi hóa thành nito oxit:
0
3 2 2
5
2NH + O 2NO + 3H O ΔH = -588kJ/mol
2
→
Các chất oxi hóa khác như nước oxy già, axit cromic, kalipemanganat oxi
hóa amoniac một cách dễ dàng.
Khí amoniac và dung dịch cháy trong clo, brom tạo thành N
2
.
3 2 2
2NH + 3Cl N + 6HCl
→
Amoniac cộng hợp được với rất nhiều chất: nước, axit, muối.
Quan trọng nhất là phản ứng cộng với nước. Khi tan trong nước NH

và có thể xem không có
NH
4
OH.
Ngay ở trạng thái khí, cũng cho phản ứng cộng với khí HCl tạo thành muối
amoni clorua:
NH
3
+ HCl = NH
4
Cl
Ngoài những loại phản ứng cộng như trên đã nói, NH
3
còn cho một loại phản
ứng kết hợp đặc biệt với các muối tạo thành những hợp chất có thành phần giống
như các hydrat gọi là các amoniacat, ví dụ: AgNO
3
.2NH
3
, CuSO
4
.4NH
3
…hoặc tạo
thành các hợp chất phức với nhiều muối.
Trong khi đó bản thân NH
3
khan lại là một axit rất yếu, có thể mất 1 proton
H
+

N
2
. Natri hoặc
kali kim loại nóng có thể tạo ra các nitrua (NaNH
2
, KNH
2
) khi tác dụng với NH
3
.
NH
3
bền ở nhiệt độ thường nhưng khi đun nóng lên 300°C nó bắt đầu phân
hủy và ở 600°C nó phân hủy gần như hoàn toàn:
0
600 C
3 2 2
2NH N + 3H
→
H
2
tạo thành làm cho NH
3
nóng có tính khử mạnh.
N
3-
có thể bị oxy hóa lên các trạng thái oxy hóa cao hơn của nitơ, đặc biệt là
dễ bị oxy hóa lên N
0
(N

là amidua của kim loại kiềm và kiềm thổ.
Ví dụ: Ở 350
0
C, natri tác dụng với NH
3
cho amiđua natri NaNH
2
:
2Na + 2H
3
N = 2NaNH
2
+ H
2
NH
3
tự bốc cháy ở 651°C và có thể tạo hỗn hợp nổ với không khí khi nồng
độ nằm trong vùng 16 – 25%.
NH
3
có tính ăn mòn các kim loại và hợp kim chứa đồng (Cu), kẽm (Zn),
nhôm (Al), vàng (Au), bạc (Ag), thủy ngân (Hg) Vì vậy trong thực tế người ta
khuyến cáo không nên để hơi hoặc dung dịch amoniac tiếp xúc với các vật dụng
có chứa các kim loại hoặc hợp kim này. Khi NH
3
tiếp xúc lâu dài với một số kim
loại (Au, Ag, Hg, Ge, Te, Sb…) thì có thể tạo ra các hợp chất kiểu fuminat dễ gây
nổ nguy hiểm.
Amoniac lỏng phá hủy các chất dẻo, cao su,


trong nước (amoni hydroxit) được sử dụng như là một mục
đích chung cho các bề mặt sạch hơn, như nó được sử dụng để làm sạch kính, sứ,
thép không gỉ và nó cũng thường được sử dụng để làm sạch lò vì amoniac có khả
năng hòa tan kim loại oxit.
– Lên men: Amoniac là giải pháp (ở 16 – 25%) được sử dụng trong ngành
công nghiệp lên men như là một nguồn cung cấp nitơ cho vi sinh vật cũng như để
điều chỉnh pH trong quá trình lên men này.
– Chất làm lạnh R717: Do tính chất bay hơi thuận lợi của nó, amoniac là chất
làm lạnh. Amoniac khan được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng điện lạnh công
nghiệp.
– Điều chế hidrazin N
2
H
4
(chất đốt cho tên lửa).
GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy Cường Trang: 12
ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM
CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐỘ HÒA TAN CHẤT KHÍ TRONG
PHA LỎNG
Độ hoà tan của khí cân bằng trong chất lỏng là lượng khí hoà tan trong một
đơn vị chất lỏng, độ hòa tan có thể biểu thị bằng kg/kg, kg/m
3
, g/lít. Độ hoà tan
của khí vào chất lỏng phụ thuộc vào tính chất của khí và chất lỏng, phụ thuộc vào
nhiệt độ môi trường và áp suất riêng phần khí trong hỗn hợp.
2.1. Hệ hai cấu tử
Nếu lượng khí đơn chất được cho tiếp xúc với một dung môi tương đối
không bay hơi thì nồng độ chất khí hoà tan trong pha lỏng được gọi là độ hoà tan
tại nhiệt độ t
o

chất khí còn chịu ảnh hưởng bởi sự hiện diện của một dung chất không bay hơi
trong chất lỏng.
2.3. Dung dịch lỏng lí tưởng
GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy Cường Trang: 14
Hình 2: Độ hòa tan của amoniac trong
nước
Hình 3: Độ hòa tan của SO
2
trong
nước
ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM
Khi pha lỏng được xem là lí tưởng ta có thể tính được áp suất riêng phần cân
bằng của chất khí trong dung dịch chất lỏng. Hỗn hợp khí lý tưởng cân bằng với
dung dịch lý tưởng thì thành phần của chất hấp thụ trong pha khí hoặc pha lỏng
liên hệ với nhau theo định luật Raoul tại một nhiệt độ xác định:
P* = P.x
Với:
P*: là áp suất riêng phần của chất hấp thụ trong pha khí cân bằng với pha
lỏng, mmHg hoặc at.
x: nồng độ phần mol của chất hấp thụ trong pha lỏng.
P: là áp suất hơi của chất hấp thụ mmHg hoặc at.
2.4. Dung dịch lỏng không lý tưởng
Thực nghiệm cho thấy, dùng D và E trên hình 1 cho thấy trường hợp SO
2
,
NH
3
hoà tan vào nước được tính theo định luật Raoult ở 10
o
C không khớp số liệu

2
O
2
CO
GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy Cường Trang: 15
ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM
20 0.92 50.4 0.0451 1.08 0.402 51.9 30.4 40.7
25 1.01 54.7 0.056 1.24 0.454 53.7 33.3 44
30 1.11 58.6 0.0688 1.41 0.502 55.1 36.1 47.1
GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy Cường Trang: 16
ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM
CHƯƠNG III: TỔNG QUÁT VỀ THÁP HẤP THU DẠNG ĐỆM
3.1. Định nghĩa hấp thu
Trong quá trình sản xuất hóa học thường chúng ta thu được hỗn hợp khí
nhiều cấu tử, muốn tiếp tục gia công chế biến chúng ta phải tách chúng ta thành
từng cấu tử.
Ví dụ: như sau khi hóa than ta thu được hỗn hợp khí các chất N
2
, H
2
, H
2
S,
NH
3
, CO, CO
2
…muốn dùng hỗn hợp ấy để tổng hợp NH
3
để sản xuất phân đạm

nhiệt độ tăng lên thì động lực truyền khối sẽ giảm. Nếu nhiệt độ tăng quá cao thì
không những động lực truyền khối giảm mà ngay cả quá trình sẽ không thực hiện
được theo đường làm việc P, G cho trước. Mặc dù vậy, nhiệt độ cao cũng ảnh
hưởng tốt vì độ nhớt của dung môi giảm, có lợi đối với trường hợp trở lực
khuyếch tán chủ yếu nằm trong pha lỏng.

Hình 4: Ảnh hưởng của nhiệt độ, áp suất lên quá trình hấp thu.
GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy Cường Trang: 18
ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM
Nếu tăng P của hỗn hợp khí thì giá trị hệ số cân bằng sẽ giảm và do đó
đường cân bằng sẽ gần về trục hoành (hình 4). Như vậy nếu tăng P thì quá tình
truyền khối sẽ tốt hơn vì động học quá trình lớn hơn. Nhưng quá trình tăng áp dẫn
đến tăng nhiệt độ, và việc tăng áp suất cũng gây khó khăn cho việc chế tạo thiết
bị, cho nên ta chỉ thực hiện quá trình hấp thu ở áp suất cao đối với chất khí khó
hoà tan.
Ví dụ: hấp thụ CO
2
với dung môi là nước ở 17 at, còn với CO ở 120 at.
3.4. Cân bằng vật chất cho quá trình hấp thu
Một số ký hiệu thông dụng:
Cách biểu diễn thành phần pha:
Pha lỏng Pha hơi
1. Phần khối lượng
L
L
x
i
=
G
G

i
i
LL
L
X
−
=
i
i
GG
G
G
−
=
5. Các liên hệ
∑
=
k
k
i
M
x
M
x
x
∑
=
k
k
i

y
Y
−
=
1
x
x
X
−
=
1
y
y
Y
−
=
1
X
X
x
+
=
1
Y
Y
y
+
=
1
X

d
: Nồng độ đầu của dung môi Kmol/Kmol dung môi.
X
c
: Nồng độ cuối của dung môi Kmol/Kmol dung môi.
G
tr
: Lượng khí trơ đi vào thiết bị hấp thu.
Phương trình đường cân bằng:
Đối với khí lý tưởng hay khí thực có nồng độ bé và độ hòa tan nhỏ thì nồng
độ đường cân bằng là đường thẳng có dạng:
xmY
cb
.=
hay
XmY
cb
.=
Ở đây:
Pm /
ψ
=
: gọi là hằng số cân bằng.
ψ
: là hệ số Hăng-Ri cho trong các số tay chuyên môn.
P: là áp suất chung (áp suất làm việc), mmHg.
GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy Cường Trang: 20
ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM
Nếu là khí thực thì đường cân bằng là đường cong có dạng:
Xm

Tính lượng khí trơ:
Tính theo hỗn hợp khí:
)1(
1
1
dy
d
ytr
yG
Y
GG −=
+
−=
Y
d
: nồng độ phần mol ban đầu của cấu tử bị hấp thụ trong pha khí.
Ta cũng có thể tính theo công thức:
trtr
trtr
tr
TR
Vp
G
.
.
=
Kg/h
Trong đó:
p
tr

Xác định lượng dung môi cần thiết:
Phương trình cân bằng vật liệu là:
)()(
dctrcdtr
XXLYYG −=−
Lượng dung môi cần thiết X:
dc
cd
trtr
XX
YY
GL
−
−
=
Lượng dung môi tối thiểu để hấp thụ được xác định khi nồng độ cuối của
dung môi đạt đến nồng độ cân bằng, như vậy ta có:
dc
cd
trtr
XX
YY
GL
−
−
=
max
min
X
c max

+ Tạo thành sản phẩm cuối cùng.
Trong trường hợp thứ nhất và thứ ba bắt buộc chúng ta phải tiến hành quá
trình nhả sau khi hấp thụ để thu các cấu tử và dung môi riêng. Trong trường hợp
thứ hai thì quá trình nhả không cần thiết nếu tìm dung môi dễ kiếm (ví dụ như
nước lạnh) vì khí thường là bỏ đi, trường hợp này chỉ khi cần lấy lại dung môi ta
mới thực hiện quá trình nhả. Còn trường hợp thứ tư thì quá trình nhả không có ý
nghĩa.
3.6. Lựa chọn dung môi
Nếu mục đích chính của quá trình hấp thu là để tạo nên một dung dịch sản
phẩm xác định (ví dụ như sản xuất dung dịch axit clohydric) thì dung môi đã được
xác định bởi bản chất của sản phẩm. Nếu mục đích của quá trình hấp thu là tách
các cấu tử của hỗn hợp khí thì khi đó ta có thể lựa chọn một dung môi tốt dựa trên
những tính chất sau:
+ Độ hòa tan chọn lọc: Đây là tính chất chủ yếu của dung môi, là tính chất chỉ
hòa tan tốt cấu tử cần tách ra khỏi hỗn hợp khí mà không hòa tan các cấu tử còn
lại hoặc hòa tan không đáng kể. Đây là tính chất chủ yếu của dung môi. Tổng
quát, dung môi và dung chất tạo nên phản ứng hóa học thì làm tăng độ hòa tan lên
rất nhiều, nhưng nếu dung môi được thu hồi để dùng lại thì phản ứng phải có tính
hoàn nguyên.
+ Độ bay hơi tương đối: Dung môi nên có áp suất hơi thấp vì pha khí sau quá
trình hấp thu sẽ bão hòa hơi dung môi do đó dung môi bị mất.
GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy Cường Trang: 23
ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM
+ Tính ăn mòn của dung môi: Dung môi nên có tính ăn mòn thấp để vật liệu
chế tạo thiết bị dễ tìm và rẻ tiền.
+ Chi phí: Dung môi dễ tìm và rẻ để sự thất thoát không tốn kém nhiều.
+ Độ nhớt: Dung môi có độ nhớt thấp sẽ tăng tốc độ hấp thu, cải thiện điều
kiện ngập lụt trong tháp hấp thu, độ giảm áp thấp và truyền nhiệt tốt.
+ Các tính chất khác: Dung môi nên có nhiệt dung riêng thấp để ít tốn nhiệt khi
hoàn nguyên dung môi, nhiệt độ đóng rắn thấp để tránh hiện tượng đóng rắn làm

Cấu tạo của thiết bị này giống thiết bị trao đổi nhiệt. Chất lỏng chảy phía
trong ống dạng màng, khí đi từ dưới lên, đường kính ống từ 25 – 50mm.
Thiết bị màng tấm:
Trong thiết bị có các bản xếp thẳng đứng song song với nhau, chất lỏng đi từ
trên xuống, chất lỏng chảy trên bề mặt khí đi từ dưới lên, ngược chiều.
 Thiết bị hấp thụ dạng màng có những ưu điểm sau:
Trở lực nhỏ nhất so với các thiết bị hấp thụ khác, vận tốc chất lỏng lớn có
khi đạt đến 5m/s. Bên cạnh đó, thiết bị này cũng có những hạn chế nên người ta ít
sử dụng, đó là hiệu suất hấp thụ thấp khi chiều cao lớn, khó phân bố đều trong
ống khi chất lỏng chuyển động từ trên xuống, vì vậy nên lưu lượng vào tháp hấp
thu không thể lớn như các thiết bị khác và hiệu quả kinh tế không cao.
3.7.4. Tháp đệm
3.7.4.1. Khái niệm
GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy Cường Trang: 25