Mở đầu

Trong thiết kế tháp hấp thụ, mục tiêu không chỉ là chọn loại tháp hay dung môi phù hợp, mà còn phải xác định đúng cân bằng vật chất, đường cân bằng, đường vận hành và tỷ lệ dung môi/khí L/G. Đây là cơ sở để đánh giá một quá trình hấp thụ có khả thi hay không, cần bao nhiêu dung môi, và tháp sẽ làm việc gần hay xa vùng giới hạn tối thiểu.

Về bản chất, tính toán tháp hấp thụ bắt đầu từ các định luật bảo toàn vật chất. Từ đó, quan hệ giữa dòng khí, dòng lỏng và cấu tử hấp thụ được thiết lập, làm nền tảng cho các bước tính tiếp theo như số đơn vị truyền khối, chiều cao lớp đệm hoặc số mâm lý thuyết.

Trong bài viết này, nội dung được trình bày theo hướng cơ sở tính toán sơ bộ cho tháp hấp thụ ngược chiều, với giả thiết phổ biến là hệ khí loãng, dung môi gần như không bay hơi và khí mang trơ gần như không hòa tan.

1. Dữ liệu đầu vào

Để tính toán tháp hấp thụ, trước hết cần xác định đầy đủ các dữ liệu đầu vào của hệ. Các dữ liệu này thường gồm:

1.1. Dữ liệu của dòng khí

Dòng khí đầu vào cần biết:

• lưu lượng khí;

• nhiệt độ và áp suất làm việc;

• nồng độ cấu tử cần hấp thụ;

• nồng độ khí sau xử lý yêu cầu;

• thành phần khí trơ đi kèm.

Nếu dùng cơ sở phần mol, ký hiệu thường dùng là:

• \(y_1\)​: phần mol cấu tử hấp thụ trong khí vào tháp, \([y_1] = 1\)

• \(y_2\)​: phần mol cấu tử hấp thụ trong khí ra tháp, \([y_2] = 1\)

Trong đó chỉ số 1 thường chỉ đầu dưới tháp nơi khí đi vào, còn chỉ số 2 chỉ đầu trên tháp nơi khí đi ra.

1.2. Dữ liệu của dòng lỏng hấp thụ

Dòng lỏng đầu vào cần biết:

• lưu lượng dung môi;

• nhiệt độ dung môi;

• nồng độ cấu tử hấp thụ trong dung môi đầu vào;

• khả năng hấp thụ cực đại hoặc quan hệ cân bằng với khí.

Ký hiệu thường dùng:

• \(x_2\)​: phần mol cấu tử hấp thụ trong lỏng vào tháp, \([x_2] = 1\)

• \(x_1\)​: phần mol cấu tử hấp thụ trong lỏng ra khỏi đáy tháp, \([x_1] = 1\)

Trong nhiều bài toán, dung môi đầu vào được xem là gần như sạch, nên:

\(x_2 \approx 0\)

1.3. Dữ liệu cân bằng

Quan hệ cân bằng khí – lỏng là dữ liệu bắt buộc để xây dựng đường cân bằng. Với hệ loãng, có thể dùng định luật Henry:

\[y^* = mx\]

Trong đó:

• \(y^*\): phần mol cân bằng của cấu tử trong khí, \([y^*] = 1\)

• x: phần mol cấu tử trong lỏng, \([x] = 1\)

• m: độ dốc đường cân bằng, [m]=1

Nếu hệ không tuân theo quan hệ tuyến tính, cần sử dụng dữ liệu thực nghiệm hoặc bảng cân bằng để dựng đường cong cân bằng.

2. Cân bằng vật chất tổng

Cân bằng vật chất tổng cho toàn tháp là bước đầu tiên để kiểm tra mối quan hệ giữa các dòng vào và dòng ra.

Trong dạng tổng quát:

\[G_1 + L_2 = G_2 + L_1\]

Trong đó:

• \(G_1\)​: lưu lượng mol dòng khí vào tháp, \([\!G_1\!] = \mathrm{kmol\,h^{-1}}\)

• \(G_2\): lưu lượng mol dòng khí ra tháp, \([\!G_2\!] = \mathrm{kmol\,h^{-1}}\)

• \(L_2\)​: lưu lượng mol dòng lỏng vào tháp, \([\!L_2\!] = \mathrm{kmol\,h^{-1}}\)

• \(L_1\)​: lưu lượng mol dòng lỏng ra khỏi tháp, \([\!L_1\!] = \mathrm{kmol\,h^{-1}}\)

Đối với nhiều bài toán hấp thụ khí loãng, có thể đưa ra các giả thiết gần đúng:

• lượng khí trơ không đổi qua tháp;

• lượng dung môi gần như không bay hơi;

• lượng khí trơ hòa tan vào lỏng không đáng kể.

Khi đó, thường quy ước:

\[G_1 \approx G_2 \approx G; L_2 \approx L_1 \approx L\]

với:

• G: lưu lượng mol khí trơ, \([G] = \mathrm{kmol\,h^{-1}}\)

• L: lưu lượng mol dung môi không chứa cấu tử hấp thụ, \([L] = \mathrm{kmol\,h^{-1}}\)

Cách viết này đặc biệt thuận tiện khi chuyển sang tính toán theo cơ sở không chứa cấu tử hấp thụ.

3. Cân bằng cấu tử hấp thụ

Xét riêng cấu tử cần hấp thụ là A, cân bằng vật chất cho toàn tháp có dạng:

\[G_1 y_1 + L_2 x_2 = G_2 y_2 + L_1 x_1\]

Trong đó:

• \(y_1, y_2\)​: phần mol của cấu tử A trong khí vào và ra, không thứ nguyên;

• \(x_2, x_1\)​: phần mol của cấu tử A trong lỏng vào và ra, không thứ nguyên.

Nếu dùng các giả thiết khí loãng và dung môi gần như không đổi lưu lượng, có thể viết gần đúng:

\[G(y_1 - y_2) = L(x_1 - x_2)\]

Vế trái là lượng cấu tử A bị lấy ra khỏi khí, còn vế phải là lượng cấu tử A được dung môi hấp thụ. Trong tính toán hấp thụ, rất thường dùng tỷ số mol theo cơ sở không chứa cấu tử hấp thụ:

\[Y = \frac{y}{1-y} ; X = \frac{x}{1-x}\]

Trong đó:

• Y: tỷ số m...