Nguyễn Thanh Tùng
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
C.
- Lượng nước sử dụng lớn hơn 20% lượng tối thiểu.
- Hiệu suất của quá trình hấp thu là 98%.
- Nước vào tháp là tinh khiết.
- Vật chêm là vòng sứ Raschig có kích thước 5x5x1.
SVTH Xác nhận của GVHD
1
Nguyễn Thanh Tùng
LỜI NÓI ĐẦU

, có tên
quốc tế (theo IUPAC) là “Azane”, “Amoniac”, “Hydrogen nitride” và một số
tên khác. Amoniac không màu, dạng khí có mùi cay nồng đặc trưng. Nó nhẹ
hơn không khí, mật độ của nó là 0,589 lần so với không khí. Nó có thể dễ dàng
hóa lỏng do sự liên kết mạnh mẽ giữa các phân tử hydro, nó có nhiệt độ sôi là –
33,34°C và nhiệt độ nóng chảy là –77,7°C. Là phân tử có cực, amoniac là một
chất khí khá nhẹ (d=0,596g/cm
3
), tan nhiều trong nước, 1 lít nước ở 0°C hòa
tan được 1200l khí NH
3
, ở 20°C là 700l khí NH
3
. 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

3
tan trong nước phát nhiều nhiệt và cho dung dịch có d < 1 (dung dịch
NH
3
25% có d = 0,91g/cm
3
). Nếu đun nóng lên đến 100°C thì tất cả NH
3
trong
dung dịch bay hơi hết.
– Amoniac có tác dụng kích thích làm chảy nước mắt, nhẹ hơn không khí.
Nhiệt độ tới hạn của amoniac rất cao 405,55°K nên amoniac dễ hóa lỏng.
Amoniac hóa lỏng ở 239,75°K và hóa rắn ở 195°K. Amoniac lỏng không màu,
ở gần nhiệt độ sôi có hằng số điện môi
ε
= 22. Amoniac lỏng là dung môi rất
tốt cho nhiều muối vô cơ. Các kim loại kiềm và kiềm thổ hòa tan trong
5
Nguyễn Thanh Tùng
amoniac lỏng. Amoniac lỏng có entapi bốc hơi lớn, vì vậy được dùng để nạp
các máy lạnh.
– 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

tan nhiều trong nước. Ở nhiệt độ thường chỉ cần áp suất 6
÷
7 atm là có thể hóa
lỏng nó.
1.4.
Tính chất hóa học của amoniac
Cũng do có cặp electron hóa trị tự do và ít bền mà NH
3
có hoạt tính hóa
học cao. Nó có thể cho ba loại phản ứng: phản ứng cộng, phản ứng khử và
phản ứng thế, trong đó đặc trưng hơn cả là phản ứng cộng.
Amoniac bền ở nhiệt độ thường. Khi đun nóng có xúc tác amoniac tự
phân hủy theo chiều ngược lại của phương trình tổng hợp. Phản ứng ở trạng
thái cân bằng xác định.
6
Nguyễn Thanh Tùng
Amoniac bị phân hủy khi chiếu xạ bằng tia tử ngoại.
Trong oxi nguyên chất, amoniac cháy với ngọn lửa vàng nhạt tạo thành N
2
và H
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

Sự xuất hiện ion OH
-
tạo nên môi trường bazơ của dung dịch (nhưng là
bazơ yếu vì có hằng số điện li K = 1,8.10
-5
). Trong dung dịch amoniac luôn có
một cân bằng kép:
NH
3
+ HOH → NH
4
OH → NH
4
+
+ OH
-
7
Nguyễn Thanh Tùng
Vì vậy trong dung dịch nước luôn có mùi NH
3
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

Li
3
N
(s)
+ 2 NH
3 (l)
→ 3 Li
+
(am)
+ 3 NH
2
−
(am)
Hydro trong NH
3
có thể bị các kim loại mạnh đẩy ra và thế chỗ để tạo ra
các nitrua như magie có thể cháy trong NH
3
để tạo magie nitrua Mg
3
N
2
. Natri
hoặc kali kim loại nóng có thể tạo ra các nitrua (NaNH
2
, KNH
2
) khi tác dụng
với NH
3

2
:
3 2 2
3CuO + 2NH = 3Cu + 3H O + N
↑
Phản ứng này được dùng để khử sạch lớp oxit kim loại trên bề mặt kim
loại khi hàn.
Các nguyên tử hydro của amoniac có thể được thay thế bằng các nguyên
tử kim loại. Phản ứng giữa amoniac và kim loại hình thành các hợp chất
amidua (
(I)
2
M NH
), imidua (
(I)
2
M NH
) và nitrua (
(I)
3
M N
) trong số các amidua,
phổ biến nhất 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
:

sản xuất phân bón dựa vào amoniac là một thành phần quan trọng của ngân
sách thế giới.
– Tiền thân để tổng hợp các hợp chất nitơ: Amoniac trực tiếp hoặc gián tiếp
là tiền thân của các hợp chất chứa nitơ nhất. Hầu như tất cả các hợp chất nitơ
tổng hợp có nguồn gốc từ amoniac. Một dẫn xuất quan trọng là acid nitric, acid
nitric được tạo ra thông qua quá trình Ostwald bởi quá trình oxy hóa của
amoniac với không khí trên một đĩa bạch kim có xúc tác ở 700 – 850°C, ~ 9
atm. Nitric oxide là một trung gian trong việc chuyển đổi này:
NH
3
+ 2O
2
→ HNO
3
+ H
2
O
axit nitric được sử dụng để sản xuất phân bón, vật liệu nổ và các hợp chất nhiều
organonitrogen.
– Dung dịch amoniac đặc 25% được dùng nhiều trong các phòng thí
nghiệm.
– Cleaner: NH
3
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,
10
Nguyễn Thanh Tùng
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

12
Nguyễn Thanh Tùng
khí tương đương không hoà tan trong chất lỏng và ngược lại, nếu áp suất cân
bằng của chất khí tại nồng độ cho trước là thấp (đường cong C hình 1) thì chất
khí có độ hoà tan cao. Dựa vào điều này, ta có thể tạo nên nồng độ khí trong
lỏng như mong muốn nếu tác động lên hệ một áp suất tương ứng. Như vậy
dạng khí hoá lỏng sẽ hoà tan hoàn toàn vào lỏng.
Thông thường, sự hoà tan khí trong lỏng sẽ phát nhiệt và độ hoàn tan của
khí trong lỏng sẻ giảm khi nhiệt độ tăng. Đường cong A và E trên hình 1 cho
thấy độ hoà tan NH
3
ở 30
0
C và 10
0
C tại nhiệt độ sôi của dung môi, độ hoà tan
của chất khí sẽ bằng không.
2.2. Hệ nhiều cấu tử
Nếu một hỗn hợp khí được cho tiếp xúc với chất lỏng tại điều kiện xác
định, độ hoà tan cân bằng của mỗi chất khí sẽ độc lập với các chất khí còn lại
và được biểu diễn theo áp suất riêng phần của hổn hợp chất khí. Nếu trong hỗn
hợp khí có một cấu tử khí hoà tan vào lỏng thì ta áp dụng như trường hợp ở
13
Hình 2: Độ hòa tan của amoniac trong
nước
Hình 3: Độ hòa tan của SO
2
trong
nước
Nguyễn Thanh Tùng

Với: m là hằng số cho mỗi khí.
Tuy nhiên định luật Henry không đúng cho một khoảng rộng nồng độ.
Với chất khí ít hoà tan trong nước như Nitro, Oxy…. Định luật Henry đúng tới
áp suất riêng phần cân bằng 1at, với các chất khí dạng hơi (dưới nhiệt độ tới
hạn) sẽ đúng tới áp suất riêng phần bằng 50% áp suất hơi bão hoà tại nhiệt độ
cho trước. Trong trường hợp bất kỳ m được xác định bằng thực nghiệm.
Bảng 1: Áp suất hơi của một số chất khí trong dung dịch với nước
P.10
6
mmHg
Nhiệt độ
(
o
C)
Chất khí
C
2
H
2
K
2
Br
2
CO
2
Cl
2
H
2
O

nhau).
+ Phương pháp hút: dùng chất lỏng hay chất rắn xốp để hút. Nếu dùng chất
lỏng gọi là quá trình hấp thu, nếu dùng chất rắn gọi là quá trình hấp phụ.
Như vậy hấp thu là quá trình hút khí bằng chất lỏng, khí được hút gọi là
chất bị hấp thu, chất lỏng dùng để hút gọi là dung môi (còn gọi là chất hấp thu),
khí không bị hấp thu gọi là khí trơ. Quá trình như vậy cần sự truyền vật chất từ
pha khí vào pha lỏng. Nếu quá trình xảy tra theo chiều ngược lại, nghĩa là từ
pha lỏng vào pha khí ta có quá trình nhả.
16
Nguyễn Thanh Tùng
Ví dụ: hỗn hợp lỏng gồm dung môi và benzen, toluen sẽ đi vào pha khí và
được mang đi, dung môi ban đầu được dùng lại. Nguyên lý của hai quá trình
hấp thu và nhả khí về cơ bản là giống nhau.
3.2. Phân loại
Phụ thuộc vào bản chất của sự tương tác giữa chất hấp thụ và chất bị hấp
thu trong pha khí, phương pháp hấp thu được chia làm 2 loại:
+ Hấp thu vật lý: dựa trên sự hòa tan của cấu tử pha khí trong pha lỏng.
+ Hấp thu hóa học: giữa chất bị hấp thu và chất hấp thu hoặc cấu tử trong
pha lỏng xảy ra phản ứng hóa học.
3.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp thu
Sự hấp thu phụ thuộc vào bản chất của các cấu tử (chất hấp thu và dung
môi). Những chất có tính chất tương đồng thì càng dễ hoà tan vào nhau. Điều
này đã được trình bày ở phần trên. Ngoài ra nhiệt độ và áp suất là những yếu tố
ảnh hưởng quan trọng lên quá trình hấp thụ. Cụ thể là chúng có ảnh hưởng lên
trạng thái cân bằng và động lực quá trình.
Nếu tăng nhiệt độ thì giá trị hệ số của định luật Henry tăng, đường cân
bằng sẽ dịch chuyển về trục tung (hình 4). Giả sử đường làm việc là P, Q
không đổi nếu 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,

i
=
2. Phần mol
L
L
x
i
=
G
G
y
i
=
3. Tỉ số khối lượng
i
i
LL
L
X
−
=
i
i
GG
G
Y
−
=
4. Tỉ số mol
i

y
M
y
y
∑
=
kk
i
Mx
Mx
x
.
.
∑
=
kk
i
My
My
y
.
.
x
x
X
−
=
1
y
y

x
+
=
1
Y
Y
y
+
=
1
Khi tính toán hấp thụ người ta thường cho biết trước lượng hỗn hợp khí,
nồng độ đầu và nồng độ cuối của khí bị hấp thụ trong hỗn hợp khí và trong
dung môi.
Với:
G
y
: Lượng hỗn hợp khí đi vào thiết bị hấp thu, Kmol/h.
Y
d
: Nồng độ đầu của hỗn hợp khí Kmol/Kmol khí trơ.
19
Nguyễn Thanh Tùng
Y
c
: Nồng độ cuối của hỗn hợp khí Kmol/Kmol khí trơ.
L
tr
: Lượng dung môi đi vào thiết bị hấp thụ Kmol/h.
X
d

Y
cb
).1(1
.
−+
=
Phương trình đường làm việc:
Đường nồng độ làm việc trong quá trình hấp thụ là đường thẳng có dạng:
BXAY
+=
.
Trong đó:
tr
x
G
G
A
=d
tr
x
c
X
G
G
YB .
−=
Tính lượng khí trơ:

2
.
Pyp
dtr
).1(
−=
21
Nguyễn Thanh Tùng
P: áp suất chung của hỗn hợp khí (áp suất làm việc của thiết bị), N/m
2
.
V
tr
: lượng khí trơ vào tháp, m
3
/h.
M
R
R
tr
=
: hằng số khí trơ, N.m/Kmol.độ.
R: hằng số khí, đối với không khí thì R = 8,314N.m/Kmol.độ.
M: khối lượng phân tử khí trơ, với không khí M= 29Kg/Kmol.
T
tr
: nhiệt độ khí trơ,
0
K.
Xác định lượng dung môi cần thiết:

22
Nguyễn Thanh Tùng
Nồng độ cân bằng luôn luôn lớn hơn nồng độ thực tế, vì thế lượng dung
môi thực tế luôn lớn hơn lượng dung môi tối thiểu, thường ta lấy lượng dung
môi thực tế lớn hơn lượng dung môi tối thiểu khoảng 20%.
Lượng dung môi tiêu hao riêng là:
dc
cd
tr
tr
XX
YY
G
L
l
−
−
==
Lượng cấu tử bị hấp thụ có thể tính theo công thức:
)()(
dctrcdtr
XXLYYGg −=−=
g: lượng cấu tử bị hấp thụ vào trong pha lỏng.
3.5. Ứng dụng của quá trình hấp thu
Quá trình hấp thu đóng một vai trò quan trọng trong sản xuất hóa học, nó
được dùng để:
+ Thu hồi các cấu tử quý.
+ Làm sạch khí.
+ Tách hỗn hợp thành cấu tử riêng.
+ Tạo thành sản phẩm cuối cùng.

khi hoàn nguyên dung môi, nhiệt độ đóng rắn thấp để tránh hiện tượng đóng
rắn làm tắc thiết bị, không tạo kết tủa, không độc.
Trong thực tế không có một dung môi nào cùng lúc đáp ứng được tất cả
các tính chất trên, do đó khi chọn phải dựa vào những điều kiện cụ thể khi thực
hiện quá trình hấp thu. Dù sao tính chất thứ nhất của dung môi cũng không thể
thiếu được trong bất cứ trường hợp nào.
3.7. Tháp hấp thu
Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để thực hiện quá
trình hấp thu. Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng ta có các loại tháp mâm, nếu
pha lỏng phân tán vào pha khí ta có tháp chêm, tháp phun.
Tháp hấp thu phải thỏa mãn các yêu cầu sau: diện tích bề mặt tiếp xúc pha
phải lớn, hiệu quả và có khả năng cho khí xuyên qua, trở lực thấp (< 3000Pa),
kết cấu đơn giản và vận hành thuận tiện, khối lượng nhỏ, ít bị tắc nghẽn bởi cặn
sinh ra trong quá trình hấp thụ.
3.7.1. Thiết bị loại đĩa (tháp mâm):
Bên cạnh tháp đệm, tháp đệm cũng được ứng dụng rất nhiều trong công
nghệ hoá học. Trong tháp đĩa khí phân tán qua các lớp chất lỏng chuyển động
25