Các loại tháp hấp thụ: Cấu tạo, nguyên lý, ưu nhược điểm và ứng dụng

1. Các loại tháp hấp thụ: Cấu tạo, nguyên lý và phạm vi ứng dụng

Trong xử lý khí công nghiệp, *tháp hấp thụ* là thiết bị tạo tiếp xúc giữa pha khí chứa cấu tử cần loại bỏ và pha lỏng có khả năng hòa tan hoặc phản ứng với cấu tử đó. Tùy cách tạo diện tích tiếp xúc khí – lỏng, thiết bị hấp thụ có thể được tổ chức dưới dạng tháp đệm, tháp đĩa, tháp phun, Venturi scrubber, tháp màng hoặc các thiết bị phân tán khí vào pha lỏng.

Không có một loại tháp nào tối ưu cho mọi bài toán. Một tháp đệm có thể rất hiệu quả đối với HCl hoặc NH₃ trong dòng khí tương đối sạch nhưng dễ gặp vấn đề khi khí mang nhiều bụi hoặc dung dịch tạo tinh thể. Ngược lại, tháp phun có khả năng chống nghẹt tốt nhưng thường cần chiều cao hoặc lượng lỏng lớn hơn để đạt cùng mức truyền khối.

Vì vậy, phân loại tháp hấp thụ không chỉ nhằm nhận biết cấu tạo. Giá trị thực tế nằm ở việc hiểu *cách thiết bị tạo bề mặt tiếp xúc, chế độ thủy lực, giới hạn vận hành và điều kiện mà mỗi cấu hình phát huy ưu thế*.

2. Bản chất của một tháp hấp thụ

Trong phần lớn hệ thống hấp thụ khí, cấu tử \(A\) được chuyển từ pha khí sang pha lỏng thông qua giao diện khí – lỏng. Nếu quá trình là hấp thụ vật lý, cấu tử hòa tan chủ yếu do cân bằng pha. Nếu dung dịch có phản ứng với \(A\), quá trình trở thành hấp thụ hóa học và động lực truyền khối có thể được duy trì mạnh hơn do cấu tử hòa tan liên tục bị tiêu thụ trong pha lỏng.

Một cách biểu diễn tổng quát tốc độ truyền khối theo pha khí là:

N_A = K_G a\left(p_A-p_A^*\right)

hoặc theo nồng độ:

N_A = K_y a\left(y-y^*\right)

Trong đó:

\(N_A\): tốc độ truyền cấu tử \(A\) trên một đơn vị thể tích thiết bị.
\(K_G\), \(K_y\): hệ số truyền khối tổng quát theo cách biểu diễn tương ứng.
\(a\): diện tích bề mặt tiếp xúc khí – lỏng hữu hiệu trên một đơn vị thể tích.
\(p_A\), \(y\): áp suất riêng phần hoặc phần mol của cấu tử trong pha khí.
\(p_A^*\), \(y^*\): trạng thái khí cân bằng với pha lỏng tại vị trí đang xét.

Điểm khác nhau cơ bản giữa các loại tháp hấp thụ nằm ở cách tạo ra \(a\), duy trì động lực truyền khối và cho hai pha chuyển động qua nhau.

Trong tháp đệm, lỏng tạo màng trên bề mặt packing. Trong tháp đĩa, khí tạo bọt qua lớp lỏng trên từng mâm. Trong tháp phun, bề mặt tiếp xúc được hình thành bởi các giọt lỏng. Với Venturi scrubber, dòng khí tốc độ cao phá lỏng thành các giọt nhỏ để tăng cường tiếp xúc.

So sánh cơ chế tiếp xúc khí lỏng của các loại tháp hấp thụ.

3. Tháp đệm

3.1. Cấu tạo và nguyên lý

Tháp đệm, hay *packed tower*, là một trong những thiết bị hấp thụ được sử dụng nhiều nhất trong xử lý khí công nghiệp. Bên trong tháp là một hoặc nhiều lớp vật liệu đệm tạo diện tích bề mặt cho pha lỏng phân bố thành màng.

Trong cấu hình ngược chiều thông dụng, khí ô nhiễm đi từ đáy lên, còn dung dịch hấp thụ được phân phối từ phía trên xuống. Lỏng làm ướt bề mặt packing, trong khi khí đi qua các khoảng rỗng giữa các phần tử đệm.

Một tháp đệm điển hình gồm:

thân tháp;
cửa khí vào;
vùng phân phối khí;
giá đỡ packing;
lớp đệm;
bộ giữ đệm;
bộ phân phối lỏng;
bộ thu và tái phân phối lỏng nếu tháp có nhiều lớp đệm;
bộ tách giọt;
bể tuần hoàn hoặc sump trong scrubber tuần hoàn.

Hiệu quả của tháp đệm không chỉ phụ thuộc vào loại packing. Một packing có khả năng truyền khối cao vẫn có thể hoạt động kém nếu dung dịch không được phân phối đều.

Cấu tạo tháp đệm hấp thụ khí ngược chiều.

3.2. Tháp đệm rời

Random packing được đổ trực tiếp vào trong tháp. Các loại thường gặp gồm Pall Ring, Raschig Ring, Intalox Saddle, Cascade Mini Ring và nhiều dạng packing nhựa hoặc kim loại cải tiến.

Ưu điểm đáng chú ý của random packing là cấu tạo đơn giản, dễ thay thế và có thể lựa chọn nhiều loại vật liệu chống ăn mòn. Với các scrubber sử dụng NaOH, axit hoặc dung dịch oxy hóa ở điều kiện phù hợp, packing bằng polymer thường được xem xét nhiều do khối lượng nhẹ và khả năng chống ăn mòn tốt.

Hạn chế quan trọng là nguy cơ phân bố lỏng không đồng đều, wall flow và channeling nếu thiết kế distributor không phù hợp.

3.3. Tháp đệm cấu trúc

Structured packing được chế tạo thành các module có hình học xác định, thường là các tấm có bề mặt tạo sóng hoặc cấu trúc đặc biệt.

So với random packing, structured packing thường có:

tổn thất áp suất thấp;
diện tích tiếp xúc hữu hiệu cao;
chế độ dòng có tổ chức hơn;
khả năng đạt hiệu suất truyền khối cao trên cùng chiều cao thiết bị.

Đổi lại, structured packing nhạy hơn với chất lượng phân phối lỏng và tình trạng fouling. Khi khí mang bụi hoặc dung dịch có khả năng kết tinh, ưu thế truyền khối của packing có thể bị đánh đổi bởi nguy cơ bám cặn và tăng chênh áp.

3.4. Giới hạn thủy lực của tháp đệm

Khi lưu lượng khí tăng, lực cản khí đối với dòng lỏng chảy xuống cũng tăng. Đến một mức tải nhất định, lỏng bắt đầu bị giữ lại trong packing nhiều hơn. Nếu tiếp tục tăng tải khí, thiết bị tiến đến vùng flooding.

Flooding không phải là một vận tốc cố định cho mọi tháp mà phụ thuộc vào:

loại packing;
kích thước packing;
khối lượng riêng của hai pha;
lưu lượng lỏng;
sức căng bề mặt;
độ nhớt;
đường kính tháp;
đặc tính tạo bọt.

Vì vậy, thiết kế packed tower phải kiểm tra đồng thời khả năng truyền khối và thủy lực. Chỉ tính đủ chiều cao truyền khối nhưng bỏ qua flooding hoặc pressure drop có thể dẫn đến một tháp đúng về mặt cân bằng vật chất nhưng không vận hành ổn định.

3.5. Phạm vi ứng dụng

Tháp đệm đặc biệt phù hợp khi:

dòng khí tương đối sạch;
yêu cầu tổn thất áp suất thấp;
cần diện tích tiếp xúc khí – lỏng lớn;
dung dịch không tạo cặn nghiêm trọng;
hệ thống làm việc với khí ăn mòn và cần vật liệu phi kim.

Trong kỹ thuật môi trường, packed scrubber thường được xem xét đối với HCl, HF, NH₃, SO₂, H₂S và nhiều khí có khả năng hấp thụ hoặc phản ứng với dung dịch thích hợp.

4. Tháp đĩa

4.1. Nguyên lý tiếp xúc theo từng mâm

Tháp đĩa, hay *tray tower*, chia chiều cao thiết bị thành các vùng tiếp xúc rời rạc bằng các mâm nằm ngang.

Khí đi từ dưới lên qua các lỗ hoặc cơ cấu trên mâm, trong khi lỏng di chuyển từ mâm phía trên xuống mâm phía dưới. Trên mỗi mâm, khí được phân tán thành bọt hoặc tia khí đi xuyên qua lớp lỏng.

Khác với packed tower có thể được mô hình hóa theo quá trình truyền khối liên tục theo chiều cao, tray tower thường được tiếp cận theo khái niệm *cấp cân bằng hoặc mâm lý thuyết*, sau đó chuyển thành số mâm thực tế bằng hiệu suất mâm.

4.2. Tháp đĩa lỗ có ống chảy truyền

Sieve tray có downcomer là cấu hình đơn giản và phổ biến.

Mỗi mâm có hai vùng chính:

active area, nơi khí đi qua các lỗ trên mâm;
downcomer area, nơi lỏng được dẫn xuống mâm kế tiếp.

Đập tràn ở cuối mâm giúp duy trì lớp lỏng nhất định. Khí đi qua lỗ tạo bọt trong lớp lỏng, sau đó thoát lên phía trên. Lỏng đi ngang trên mâm, vượt qua đập tràn rồi chảy xuống downcomer.

Nguyên lý tháp đĩa lỗ có ống chảy truyền

4.3. Các loại mâm khác

Valve tray sử dụng các van có khả năng nâng lên theo lưu lượng khí. Cấu hình này thường có phạm vi tải vận hành rộng hơn sieve tray vì diện tích mở hiệu dụng có thể thay đổi theo tải khí.

Bubble-cap tray sử dụng riser và chụp khí để dẫn khí vào pha lỏng. Loại này có khả năng duy trì tiếp xúc khi tải khí thấp nhưng cấu tạo phức tạp hơn và thường có pressure drop lớn hơn.

Dual-flow tray không có downcomer. Khí và lỏng cùng đi qua các lỗ trên mâm nhưng theo hai hướng ngược nhau tại những vị trí khác nhau. Thiết bị đơn giản về cơ khí nhưng chế độ thủy lực nhạy hơn.

4.4. Các giới hạn vận hành

Một tray tower phải hoạt động trong vùng giữa hai nhóm giới hạn.

Khi tải khí quá thấp, áp lực khí không đủ giữ lỏng trên mâm và có thể xảy ra *weeping* hoặc dumping. Khi tải khí quá cao, khí cuốn nhiều giọt lỏng lên mâm phía trên, tạo entrainment và cuối cùng có thể dẫn đến flooding.

Ngoài ra, downcomer phải có đủ khả năng vận chuyển lỏng. Nếu áp suất phía dưới hoặc tổn thất thủy lực quá lớn, mức lỏng trong downcomer có thể tăng và gây downcomer backup.

Do đó, thiết kế tháp đĩa không chỉ là xác định số mâm mà còn phải kiểm tra:

lưu lượng khí qua active area;
diện tích downcomer;
chiều cao đập tràn;
khoảng cách giữa các mâm;
chênh áp qua mâm;
entrainment;
weeping;
flooding.

4.5. Khi nào nên lựa chọn tháp đĩa

Tray tower phù hợp khi cần kiểm soát quá trình theo từng cấp rõ ràng hoặc khi lưu lượng pha lỏng tương đối lớn. Mâm cũng có thể tiếp cận và vệ sinh dễ hơn một lớp structured packing sâu trong một số cấu hình.

Tuy nhiên, đối với scrubber xử lý khí ăn mòn có yêu cầu pressure drop thấp, packed tower thường thuận lợi hơn. Đây là một trong những lý do tháp đệm xuất hiện phổ biến trong hệ thống xử lý khí môi trường.

5. Tháp phun

5.1. Cơ chế truyền khối

Spray tower tạo diện tích tiếp xúc bằng cách phun dung dịch thành các giọt trong dòng khí. Thiết bị có thể gần như rỗng ở bên trong ngoại trừ hệ nozzle và bộ tách giọt.

Trong cấu hình ngược chiều, khí đi từ dưới lên trong khi giọt lỏng rơi từ trên xuống. Trong cấu hình đồng chiều, khí và lỏng chuyển động cùng hướng.

Diện tích bề mặt tổng của giọt tăng khi kích thước giọt giảm. Tuy nhiên, việc giảm kích thước giọt không thể thực hiện vô hạn vì giọt quá nhỏ dễ bị khí cuốn theo.

Với một thể tích lỏng xác định, diện tích bề mặt lý tưởng hóa của hệ giọt hình cầu tỷ lệ nghịch với đường kính giọt:

a_d \propto \frac{1}{d_d}

Trong đó \(a_d\) là diện tích bề mặt giọt trên đơn vị thể tíc...