1. Tính đường kính tháp hấp thụ: Tải khí, tải lỏng và flooding
Trong thiết kế tháp hấp thụ đệm, *đường kính tháp chủ yếu được xác định bởi thủy động của dòng khí – lỏng*, trong khi chiều cao lớp đệm chủ yếu liên quan đến yêu cầu truyền khối. Hai bài toán có liên hệ với nhau nhưng không nên trộn lẫn: một tháp đủ cao về HTU – NTU vẫn có thể không vận hành được nếu đường kính quá nhỏ và lớp đệm bị flooding; ngược lại, tăng đường kính quá mức có thể làm vận tốc khí thấp, tải tưới trên đơn vị diện tích giảm và phân phối pha trở nên kém hiệu quả.
Quan hệ cơ bản nhất để xác định diện tích tiết diện là:
\[ u_G=\frac{Q_G}{A} \]
suy ra:
\[ A=\frac{Q_G}{u_G} \]
và với tháp tròn:
\[ D= \sqrt{\frac{4Q_G}{\pi u_G}} \]
Trong đó \(Q_G\) phải là *lưu lượng thể tích khí tại điều kiện thực tế trong tháp*, \(u_G\) là vận tốc khí bề mặt được lựa chọn sau khi kiểm tra flooding, \(A\) là tiết diện trong của tháp và \(D\) là đường kính trong.
Khó khăn của bài toán nằm ở chỗ không thể tùy ý chọn \(u_G\). Vận tốc khí vận hành phải thấp hơn vận tốc flooding và đồng thời phải phù hợp với tải lỏng, loại packing, tính chất vật lý của hai pha, tổn thất áp suất và khả năng phân phối lỏng.
Vì vậy trình tự đúng không phải:
\[ Q_G \rightarrow \text{chọn đại một vận tốc} \rightarrow D \]
mà phải là:
\[ Q_G,\;Q_L,\;\rho_G,\;\rho_L,\;\mu_L,\;\text{packing} \]
\[ \downarrow \]
\[ \text{xác định khả năng thủy lực và flooding} \]
\[ \downarrow \]
\[ u_{G,\text{design}} \]
\[ \downarrow \]
\[ A,\;D \]
\[ \downarrow \]
\[ \text{kiểm tra lại tải khí, tải lỏng, }\Delta P,\text{ wetting và flooding} \]
Bài viết này tập trung vào tháp hấp thụ *dòng ngược chiều có lớp đệm*. Với tháp mâm, venturi scrubber hoặc spray tower, cơ chế giới hạn thủy động và phương pháp sizing khác.
2. Flooding trong tháp hấp thụ là gì?
Trong tháp đệm ngược dòng, khí chuyển động từ dưới lên còn dung dịch chảy xuống dưới nhờ trọng lực.
Ở tải khí thấp, dòng khí gây cản tương đối nhỏ đối với pha lỏng. Dung dịch chảy qua các khe rỗng của packing, tạo màng lỏng trên bề mặt vật liệu và tiếp tục đi xuống.
Khi vận tốc khí tăng, lực kéo của dòng khí tác dụng lên pha lỏng tăng. Dung dịch bắt đầu lưu giữ nhiều hơn trong lớp đệm, hay liquid holdup tăng. Tổn thất áp suất khí cũng tăng nhanh hơn.
Khi tiếp tục tăng tải khí, hệ đi vào vùng *loading*: dòng khí bắt đầu cản đáng kể khả năng thoát lỏng xuống dưới.
Đến một giới hạn, khí không còn cho phép dung dịch chảy xuống ổn định. Lỏng tích tụ nhanh trong packing, chênh áp tăng mạnh, có thể xuất hiện cuốn lỏng lên phía trên và mất ổn định thủy động. Trạng thái này gọi là *flooding*.
Có thể hình dung:
\[ \text{vận tốc khí thấp} \rightarrow \text{vận hành ổn định} \]
\[ \rightarrow \text{loading} \]
\[ \rightarrow \text{flooding} \]
Flooding vì vậy không đơn giản có nghĩa là “tháp đầy nước”. Bản chất của nó là *khả năng dòng lỏng đi xuống bị cản nghiêm trọng bởi động lượng của dòng khí đi lên*.
3. Tải khí được biểu diễn như thế nào?
Đại lượng trực quan nhất là *vận tốc khí bề mặt*:
\[ u_G=\frac{Q_G}{A} \]
Vận tốc này giả sử toàn bộ tiết diện tháp là tiết diện dòng khí, không trừ diện tích vật liệu packing.
Đây không phải vận tốc thực tế của khí trong các khe rỗng. Do packing chiếm một phần thể tích nên vận tốc khí cục bộ trong khoảng rỗng lớn hơn \(u_G\).
3.1. Tải khối lượng khí
Có thể biểu diễn tải khí theo khối lượng:
\[ g_G = \frac{\dot m_G}{A} \]
Do:
\[ \dot m_G=\rho_GQ_G \]
nên:
\[ g_G=\rho_Gu_G \]
Trong đó \(g_G\) có thể biểu diễn bằng kg/(m²·s).
Cần phân biệt \(g_G\) trong mục này với \(G_s\) đã sử dụng trong cân bằng vật chất. \(G_s\) là lưu lượng mol khí mang trên basis không chứa chất tan, còn \(g_G\) ở đây là *tải khối lượng khí trên tiết diện tháp*.
3.2. F-factor của dòng khí
Một đại lượng khác thường dùng để đặc trưng tải khí là:
\[ F_G = u_G\sqrt{\rho_G} \]
\(F_G\) kết hợp vận tốc khí và khối lượng riêng khí, nên phản ánh tốt hơn mức động lượng khí so với chỉ dùng \(u_G\).
Hai dòng khí có cùng vận tốc nhưng mật độ khác nhau không tạo ra cùng điều kiện thủy động. Dòng khí có \(\rho_G\) lớn hơn thường tạo lực tác động lên pha lỏng lớn hơn.
Tuy nhiên \(F_G\) cũng không đủ để tự xác định flooding. Còn phải xét tải lỏng, packing và tính chất pha lỏng.
4. Tải lỏng trong tháp hấp thụ
Lưu lượng dung dịch thường được quy về tiết diện tháp:
\[ q_L = \frac{Q_L}{A} \]
Trong đó \(q_L\) thường được gọi là *mật độ tưới* hoặc tải thể tích lỏng.
Nếu:
\[ Q_L\;(\text{m}^3/\text{h}) \]
và:
\[ A\;(\text{m}^2) \]
thì:
\[ q_L\;(\text{m}^3/\text{m}^2\cdot\text{h}) \]
tương đương về thứ nguyên với m/h.
Có thể sử dụng tải khối lượng:
\[ l_L = \frac{\dot m_L}{A} \]
với đơn vị kg/(m²·s) hoặc hệ đơn vị tương đương.
Tải lỏng có hai ảnh hưởng quan trọng nhưng trái chiều.
Nếu tải lỏng quá thấp, packing có thể không được làm ướt đầy đủ:
\[ a_e\downarrow \]
trong đó \(a_e\) là diện tích tiếp xúc khí – lỏng hữu hiệu. Các vùng packing bị khô làm giảm hiệu quả truyền khối.
Nếu tải lỏng quá cao, liquid holdup và cản trở dòng khí tăng, làm flooding xảy ra ở vận tốc khí thấp hơn.
Do đó khi xác định đường kính cần kiểm tra đồng thời:
\[ q_L>q_{L,\text{wetting,min}} \]
và:
\[ u_G<u_{G,\text{flood}} \]
Các giới hạn wetting cụ thể phụ thuộc loại, kích thước và vật liệu packing; cần sử dụng dữ liệu hoặc correlation phù hợp thay vì một giá trị chung cho mọi packing.
5. Vì sao tăng tải lỏng làm giảm khả năng tải khí?
Xét cùng một lớp packing.
Khi lưu lượng dung dịch tăng, lượng lỏng lưu giữ trên bề mặt và trong khoảng rỗng tăng. Một phần diện tích khe rỗng vốn dành cho khí bị thu hẹp.
Do đó tại cùng lưu lượng khí:
\[ Q_G=\text{không đổi} \]
diện tích dòng chảy khí hữu hiệu giảm và tương tác khí – lỏng mạnh hơn.
Kết quả là:
- Tổn thất áp suất tăng.
- Liquid holdup tăng.
- Loading xuất hiện sớm hơn.
- Vận tốc khí tại flooding giảm.
Vì vậy không tồn tại một vận tốc flooding duy nhất cho một loại packing. Phải hiểu:
\[ u_{G,f} = f( q_L,\rho_G,\rho_L,\mu_L,\sigma_L,\text{packing},\ldots ) \]
Trong đó \(\mu_L\) là độ nhớt và \(\sigma_L\) là sức căng bề mặt của pha lỏng.
6. Capacity factor và vận tốc flooding
Một dạng biểu diễn thường gặp trong phân tích khả năng tải của tháp đệm là capacity factor:
\[ C_S = u_G \sqrt{ \frac{\rho_G} {\rho_L-\rho_G} } \]
Từ đó:
\[ u_G = C_S \sqrt{ \frac{\rho_L-\rho_G} {\rho_G} } \]
Tại flooding:
\[ u_{G,f} = C_{S,f} \sqrt{ \frac{\rho_L-\rho_G} {\rho_G} } \]
Trong đó:
- \(u_{G,f}\): vận tốc khí bề mặt tại flooding.
- \(C_{S,f}\): capacity factor tại flooding.
- \(\rho_G\): khối lượng riêng khí tại điều kiện vận hành.
- \(\rho_L\): khối lượng riêng dung dịch.
Điểm quan trọng là \(C_{S,f}\) *không phải một hằng số cố định*. Nó phải được xác định bằng correlation thủy động hoặc dữ liệu của nhà sản xuất packing dựa trên tải lỏng, đặc tính packing và tính chất chất lỏng.
Trong thực hành có thể gặp các phương pháp như generalized pressure-drop/capacity correlation hoặc các correlation được phát triển riêng cho random packing và structured packing. Không nên lấy capacity factor của một packing rồi áp dụng cho packing khác chỉ vì cùng kích thước danh nghĩa.
7. Packing ảnh hưởng đến flooding như thế nào?
Packing xác định hình học của đường đi khí – lỏng và vì vậy ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng tải của tháp.
Các thông số quan trọng gồm:
- Độ rỗng của lớp đệm.
- Diện tích bề mặt riêng.
- Hình dạng đường dòng.
- Packing factor.
- Kích thước packing.
- Vật liệu và khả năng làm ướt.
- Random packing hay structured packing.
Một packing có diện tích bề mặt riêng cao có thể thuận lợi cho truyền khối nhưng đồng thời tạo đường dòng nhỏ hơn hoặc lực cản lớn hơn.
Ngược lại, packing có độ rỗng cao thường cho khả năng tải khí tốt và tổn thất áp suất thấp hơn, nhưng hiệu quả truyền khối cụ thể còn phụ thuộc diện tích hữu hiệu và mức độ tiếp xúc pha.
Vì vậy bài toán chọn packing luôn tồn tại sự đánh đổi:
\[ \text{Mass-transfer efficiency} \leftrightarrow \text{Hydraulic capacity} \]
Không nên chọn đường kính trước rồi mới lựa chọn packing ở bước cuối, vì thay đổi packing có thể làm thay đổi đáng kể vận tốc flooding và do đó thay đổi đường kính tháp.
8. Loading có thể nhận biết qua đường cong tổn thất áp suất
Một cách trực quan để hiểu loading và flooding là biểu diễn:
\[ \frac{\Delta P}{Z} \]
theo tải hoặc vận tốc khí.
Ở tải khí thấp, tổn thất áp suất qua lớp đệm tăng tương đối đều khi vận tốc khí tăng.
Khi bắt đầu loading, độ dốc đường cong tăng vì liquid holdup bắt đầu tăng đáng kể.
Tiến gần flooding, \(\Delta P\) tăng rất nhanh với một thay đổi nhỏ của lưu lượng khí.
9. Từ vận tốc flooding đến vận tốc thiết kế
Sau khi xác định:
\[ u_{G,f} \]
không nên sử dụng trực tiếp vận tốc này để tính đường kính.
Vận tốc thiết kế phải thấp hơn:
\[ u_{G,d}<u_{G,f} \]
Có thể biểu diễn:
\[ u_{G,d} = \phi u_{G,f} \]
trong đó:
\[ 0<\phi<1 \]
là tỷ lệ vận hành so với flooding.
Không nên coi \(\phi\) là một giá trị phổ quát. Khoảng dự phòng cần phụ thuộc vào:
- Mức dao động lưu lượng khí.
- Sai số dữ liệu thiết kế.
- Độ ổn định của phân phối khí – lỏng.
- Đặc tính packing.
- Yêu cầu turndown.
- Khả năng fouling.
- Hệ có tạo bọt hay không.
- Mức độ quan trọng của thiết bị đối với dây chuyền.
Một tháp xử lý dòng khí ổn định và sạch có thể được đánh giá khác với scrubber xử lý khí dao động mạnh, chứa aerosol, bụi hoặc dung dịch dễ tạo bọt.
10. Công thức xác định đường kính tháp
Khi đã chọn vận tốc thiết kế:
\[ A = \frac{Q_{G,\text{act}}} {u_{G,d}} \]
Với tháp tròn:
\[ A=\frac{\pi D^2}{4} \]
nên:
\[ D = \sqrt{ \frac{4Q_{G,\text{act}}} {\pi u_{G,d}} } \]
Trong đó \(Q_{G,\text{act}}\) phải sử dụng đơn vị m³/s ...