1. Các loại đệm sử dụng trong thiết kế tháp hấp thụ: từ thông số hình học đến thủy lực và truyền khối
Đệm là bộ phận tạo vùng tiếp xúc khí – lỏng trong tháp hấp thụ. Tuy nhiên, từ góc độ thiết kế, biết tên loại đệm, kích thước danh nghĩa hoặc diện tích bề mặt riêng vẫn chưa đủ để xác định đường kính và chiều cao tháp. Một loại đệm tháp hấp thụ chỉ thực sự có giá trị cho tính toán khi có đủ dữ liệu để mô tả hai vấn đề khác nhau: thủy lực của lớp đệm và khả năng truyền khối
Thủy lực quyết định khả năng đưa khí và dung dịch qua tháp mà không xảy ra loading, flooding hoặc tổn thất áp suất quá lớn. Truyền khối quyết định lớp đệm phải cao bao nhiêu để đạt nồng độ khí đầu ra yêu cầu. Hai loại đệm có cùng diện tích bề mặt hình học vẫn có thể khác đáng kể về pressure drop, khả năng làm ướt, liquid holdup và HTU do hình học dòng chảy khác nhau.
Vì vậy, khi xây dựng cơ sở dữ liệu hoặc lựa chọn đệm cho thiết kế tháp hấp thụ, cần đi xa hơn bảng thông số đơn giản gồm “kích thước – diện tích bề mặt – vật liệu”. Bài viết này phân tích những nhóm dữ liệu thực sự cần thiết và một số dòng random packing, structured packing có tài liệu kỹ thuật tương đối đầy đủ để phục vụ thiết kế.
2. Dữ liệu nào của đệm thực sự cần cho thiết kế tháp hấp thụ?
Có thể chia dữ liệu cần thiết thành ba lớp: đặc tính hình học – vật lý, đặc tính thủy lực và đặc tính truyền khối.
2.1. Thông số hình học và vật lý của lớp đệm
Thông số thường gặp nhất là diện tích bề mặt hình học riêng:
Trong đó:
- \(a_p\) là diện tích bề mặt hình học riêng của đệm, m²/m³;
- \(A_p\) là tổng diện tích bề mặt hình học của các phần tử đệm;
- \(V_b\) là thể tích lớp đệm, m³.
Giá trị \(a_p\) càng lớn thì về nguyên tắc càng có nhiều bề mặt tiềm năng cho tiếp xúc khí – lỏng. Tuy nhiên, đây mới là *diện tích hình học*, không phải diện tích thực sự tham gia truyền khối.
Trong vận hành, chỉ một phần bề mặt đệm được chất lỏng làm ướt. Có thể biểu diễn khái niệm này bằng:
Trong đó \(a_e\) là diện tích tiếp xúc hữu hiệu và \(\eta_w\) là tỷ lệ bề mặt được làm ướt hữu hiệu.
Giá trị \(\eta_w\) phụ thuộc vào hình học đệm, sức căng bề mặt, độ nhớt, tải lỏng, vật liệu và trạng thái bề mặt. Do đó, một loại đệm có \(a_p\) lớn chưa chắc tạo được \(a_e\) lớn hơn trong điều kiện vận hành cụ thể.
Thông số thứ hai là độ rỗng:
Độ rỗng cao tạo nhiều không gian cho khí và chất lỏng đi qua lớp đệm, thường có lợi về capacity và pressure drop. Tuy nhiên, hiệu quả cuối cùng vẫn phụ thuộc vào cách phần rỗng được tổ chức chứ không chỉ giá trị \(\varepsilon\).
Packing factor \(F_p\) là một thông số đặc trưng thủy lực khác thường xuất hiện trong các phương pháp rating random packing. Nó phản ánh tổng hợp ảnh hưởng của hình học đệm đến sức cản dòng chảy. Không nên xem \(F_p\) như một tính chất độc lập có khả năng mô tả toàn bộ performance của đệm, đặc biệt với các high-performance packing hiện đại.
Các dữ liệu cơ bản khác cần lưu gồm:
- kích thước danh nghĩa;
- bulk density của lớp đệm;
- số phần tử trên một đơn vị thể tích nếu có;
- vật liệu PP, PE, PVC, CPVC, PVDF, kim loại hoặc vật liệu đặc biệt;
- giới hạn nhiệt độ;
- khả năng tương thích hóa chất;
- độ bền cơ học và giới hạn chiều sâu lớp đệm nếu nhà sản xuất quy định.
3. Dữ liệu thủy lực quyết định đường kính và khả năng vận hành của tháp
Trong tháp đệm ngược chiều, khí đi lên trong khi chất lỏng chảy xuống. Khi lưu lượng khí còn thấp, pha khí chỉ tạo sức cản tương đối nhỏ đối với dòng lỏng. Khi tải khí tăng, lực kéo của khí làm dòng lỏng xuống khó khăn hơn, liquid holdup tăng và pressure drop bắt đầu tăng nhanh.
Tiếp tục tăng tải khí sẽ dẫn tới vùng loading và sau đó là flooding. Tại flooding, dòng khí cản trở nghiêm trọng khả năng thoát lỏng xuống dưới, lớp đệm chứa lượng lỏng lớn và pressure drop tăng mạnh. Đây không phải vùng vận hành bình thường của một scrubber.
Tải khí thường được biểu diễn thông qua F-factor:
Trong đó:
- \(u_G\) là vận tốc khí bề mặt qua tiết diện tháp, m/s;
- \(\rho_G\) là khối lượng riêng của khí, kg/m³;
- \(F\) có đơn vị tương đương \(\sqrt{\text{Pa}}\) trong hệ SI.
Vận tốc khí bề mặt được xác định từ:
Trong đó \(Q_G\) là lưu lượng khí tại điều kiện thực tế, m³/s và \(A\) là tiết diện trong của tháp, m².
Như vậy, khi xác định được giới hạn tải khí chấp nhận được đối với một loại đệm, có thể suy ngược tiết diện và đường kính tháp:
Nhưng \(u_G\) không thể chọn độc lập với tải lỏng. Cùng một loại đệm và cùng vận tốc khí, tăng liquid loading có thể làm pressure drop tăng và đưa hệ gần flooding hơn. Vì vậy, dữ liệu tốt cho thiết kế phải thể hiện ít nhất mối quan hệ:
Trong đó:
- \(\Delta P/Z\) là tổn thất áp suất trên một đơn vị chiều cao lớp đệm;
- \(L'\) là tải lỏng trên tiết diện tháp.
Đây là lý do các *pressure-drop curve theo cả gas loading và liquid loading* có giá trị cao hơn nhiều so với một giá trị packing factor đơn lẻ.
Các đường đặc tính của Jaeger Tri-Packs, chẳng hạn, được công bố riêng cho các kích thước đệm và nhiều mức liquid loading trong hệ air–water. Tài liệu cũng cung cấp thông tin liquid holdup và mass-transfer data, cho phép đánh giá lớp đệm ở mức sâu hơn một catalog hình học đơn thuần.
4. Dữ liệu truyền khối quyết định chiều cao lớp đệm
Sau khi đường kính tháp đã được kiểm tra về thủy lực, bài toán tiếp theo là xác định chiều cao lớp đệm cần thiết để đạt hiệu suất hấp thụ.
Một cách tiếp cận phổ biến là phương pháp HTU–NTU:
Trong đó:
- \(Z\) là chiều cao lớp đệm, m;
- \(H_{OG}\) là chiều cao một đơn vị truyền khối tổng thể theo pha khí;
- \(N_{OG}\) là số đơn vị truyền khối tổng thể theo pha khí.
\(N_{OG}\) phụ thuộc vào yêu cầu tách, đường cân bằng và đường làm việc của hệ hấp thụ. Đối với biểu diễn theo tỷ số mol trên cơ sở khí trơ và dưới các giả thiết phù hợp:
Trong đó:
- \(Y\) là tỷ số mol chất tan trong pha khí;
- \(Y^*\) là nồng độ khí cân bằng tương ứng với trạng thái pha lỏng tại vị trí đang xét;
- \(Y_1\) và \(Y_2\) lần lượt là trạng thái khí vào và ra khỏi lớp đệm.
HTU lại liên quan đến khả năng truyền khối thực tế của đệm, bao gồm hệ số truyền khối pha khí, pha lỏng và diện tích bề mặt hữu hiệu. Vì cách biểu diễn \(K_Ga\), \(K_Ya\), flux và nồng độ có thể khác nhau giữa các tài liệu, không nên sử dụng một công thức HTU duy nhất nếu chưa xác định rõ hệ đơn vị và concentration basis.
Về bản chất:
Do đó HTU không phải là “hằng số của đệm”. Nó thay đổi theo:
- loại và kích thước đệm;
- gas loading;
- liquid loading;
- tính chất vật lý của hai pha;
- khả năng thấm ướt;
- hệ khí – dung dịch;
- cân bằng pha;
- phản ứng hóa học;
- nhiệt độ;
- nồng độ dung dịch.
Điểm này đặc biệt quan trọng đối với hấp thụ hóa học HCl, SO₂, H₂S hoặc Cl₂ bằng dung dịch kiềm. Một giá trị HTU đo cho CO₂–NaOH không thể mặc nhiên dùng cho H₂S–NaOH, dù cùng sử dụng một loại packing.
5. Jaeger Tri-Packs – bộ dữ liệu tương đối hoàn chỉnh cho scrubber
Jaeger Tri-Packs là random packing dạng gần cầu được Raschig cung cấp cho các ứng dụng scrubber và stripper. Điểm đáng quan tâm trong thiết kế không chỉ nằm ở hình dạng mà ở mức độ đầy đủ của dữ liệu công khai.
Tài liệu của hãng cung cấp ba kích thước 1", 2" và 3,5" với các thông số hình học sau.
| Thông số | Tri-Pack 1" | Tri-Pack 2" | Tri-Pack 3,5" |
|---|---|---|---|
| Kích thước danh nghĩa | 25,4 mm | 50,8 mm | 88,9 mm |
| Diện tích hình học \(a_p\) | khoảng 279 m²/m³ | khoảng 157 m²/m³ | khoảng 125 m²/m³ |
| Packing factor | khoảng 91,9 m⁻¹ | khoảng 52,5 m⁻¹ | khoảng 39,4 m⁻¹ |
| Độ rỗng | 90,0% | 93,5% | 95,0% |
| Bulk density PP | khoảng 99 kg/m³ | khoảng 67 kg/m³ | khoảng 53 kg/m³ |
Bảng này cho thấy trade-off khá rõ khi thay đổi kích thước random packing. Đệm nhỏ có diện tích bề mặt riêng lớn hơn nhưng đồng thời packing factor cao hơn và độ rỗng thấp hơn. Đệm lớn giảm diện tích bề mặt riêng nhưng mở rộng không gian dòng chảy.
Do đó, khi tăng kích thước packing thường có xu hướng thuận lợi hơn về capacity và pressure drop nhưng không nhất thiết thuận lợi về hiệu quả truyền khối trên một mét lớp đệm.
5.1. Điểm mạnh của Tri-Packs nằm ở hydraulic curve và HTU data
Raschig công bố pressure-drop curves riêng cho Tri-Pack 1", 2" và 3,5" ở nhiều mức tải lỏng trong hệ air–water. Đây là dữ liệu có thể dùng để rating điểm vận hành cụ thể, thay vì chỉ dựa vào \(F_p\).
Đáng chú ý hơn, tài liệu còn cung cấp HTU thực nghiệm cho nhiều hệ hấp thụ có liên quan trực tiếp đến xử lý khí công nghiệp.
| Hệ hấp thụ | HTU 1" | HTU 2" | HTU 3,5" |
|---|---|---|---|
| HCl – H₂O | 7,0 in | 10,6 in | 12,0 in |
| HCl – NaOH | 6,1 in | 8,8 in | 10,0 in |
| Cl₂ – NaOH | 9,9 in | 14,5 in | 16,0 in |
| NH₃ – H₂SO₄ | 4,1 in | 6,0 in | 7,0 in |
| NH₃ – H₂O | 3,6 in | 5,4 in | 6,2 in |
| SO₂ – NaOH | 8,1 in | 12,0 in | 14,0 in |
| H₂S – NaOH | 13,0 in | 19,4 in | 22,0 in |
Không nên đọc bảng này theo cách “H₂S dùng Tri-Pack 2" thì HTU bằng 19,4 in”. Mỗi dòng trong tài liệu đi kèm gas loading \(G\), liquid loading \(L\) và nhiệt độ thử nghiệm khác nhau. Chính các điều kiện này phải được lưu cùng dữ liệu HTU nếu sử dụng để kiểm tra một mô hình thiết kế.
Raschig cũng ghi rõ dữ liệu bulletin là hướng dẫn chung và không nên được dùng cho thiết kế cuối cùng mà không kiểm tra với điều kiện dự án cụ thể.
Về mặt xây dựng dữ liệu cho một công cụ tính toán, Tri-Packs vì vậy là một candidate rất tốt: cùng một family đã có hình học, packing factor, void fraction, pressure-drop curves, liquid holdup và mass-transfer data.
6. Q-PAC – diện tích hình học không lớn nhưng độ rỗng và packing factor rất thấp
Q-PAC của Lantec cho thấy rõ tại sao không nên xếp...