(+84)96 883 9903
kythuatmoitruong.contact@gmail.com
Kỹ thuật môi trường
(+84) 96 883 9903 kythuatmoitruong.contact@gmail.com

Tính HTU trong tháp đệm hấp thụ khí — hướng dẫn kỹ thuật

15-08-2026 Newater Việt Nam
Hướng dẫn kỹ thuật chuyên sâu về phương pháp tính HTU và NTU cho tháp đệm hấp thụ khí — định nghĩa, cơ sở vật lý, xác định \(K_Ga\) và \(a_e\), ảnh hưởng tải khí/lỏng và phản ứng.

1. Phương pháp tính HTU trong thiết kế tháp đệm hấp thụ khí

Trong thiết kế tháp đệm hấp thụ khí, chiều cao lớp đệm không nên được lựa chọn trực tiếp từ một giá trị kinh nghiệm. Về bản chất, chiều cao cần thiết phụ thuộc vào hai yếu tố khác nhau: mức độ tách mà quá trình phải thực hiện và khả năng truyền khối của hệ khí – lỏng – packing tại điều kiện vận hành thực tế.

Hai yếu tố này được biểu diễn thông qua NTU và HTU:

$$Z=HTU_{OG}\times NTU_{OG}$$

Trong đó:

  • \(Z\): chiều cao lớp đệm, m;
  • \(HTU_{OG}\): chiều cao một đơn vị truyền khối tổng thể quy về pha khí, m;
  • \(NTU_{OG}\): số đơn vị truyền khối tổng thể quy về pha khí, không thứ nguyên.

Có thể hiểu ngắn gọn:

  • \(NTU\) cho biết quá trình cần thực hiện mức độ tách lớn đến đâu;
  • \(HTU\) cho biết hệ packing thực hiện truyền khối hiệu quả đến mức nào.

Điểm quan trọng là *HTU không phải hằng số cố định của packing*. Cùng một loại đệm nhưng khi thay đổi lưu lượng khí, lưu lượng lỏng, tính chất vật lý, mức độ thấm ướt hoặc cơ chế hấp thụ, giá trị HTU có thể thay đổi đáng kể.

2. HTU được hình thành như thế nào?

Xét một phần tử lớp đệm có chiều cao \(dZ\) và diện tích tiết diện tháp \(A_c\). Với cấu tử \(A\) truyền từ pha khí sang pha lỏng, tốc độ truyền khối có thể biểu diễn theo động lực tổng thể phía khí:

$$d\dot n_A = K_Ya_eA_c(Y-Y^*)dZ$$

Trong đó:

  • \(K_Y\): hệ số truyền khối tổng thể quy về pha khí;
  • \(a_e\): diện tích tiếp xúc khí – lỏng hiệu dụng trên một đơn vị thể tích lớp đệm, \(\mathrm{m^2/m^3}\);
  • \(Y\): tỷ số mol cấu tử \(A\) trên khí trơ trong pha khí;
  • \(Y^*\): tỷ số mol cân bằng với pha lỏng tại cùng vị trí.

Nếu \(G_s\) là lưu lượng mol khí trơ và được coi gần như không đổi dọc tháp:

$$-G_s,dY = K_Ya_eA_c(Y-Y^*)dZ$$

Đặt molar flux khí trơ:

$$G_s' = \frac{G_s}{A_c}$$

ta thu được:

$$dZ = \frac{G_s'}{K_Ya_e} \frac{-dY}{Y-Y^*}$$

Tích phân từ đầu ra đến đầu vào khí:

$$Z = \frac{G_s'}{K_Ya_e} \int_{Y_{out}}^{Y_{in}} \frac{dY}{Y-Y^*}$$

Từ đây có thể nhận dạng:

$$HTU_{OG} = \frac{G_s'}{K_Ya_e}$$

và:

$$NTU_{OG}= \int_{Y_{out}}^{Y_{in}} \frac{dY}{Y-Y^*}$$

Do đó:

$$Z=HTU_{OG}NTU_{OG}$$

Về mặt vật lý:

$$HTU_{OG} \propto \frac{\text{tải khí trên tiết diện}} {\text{khả năng truyền khối theo thể tích lớp đệm}}$$

Khi \(K_Ya_e\) tăng, HTU giảm và cần ít chiều cao packing hơn để thực hiện cùng một mức độ tách.

Ý nghĩa HTU và NTU trong một phần tử vi phân của tháp đệm hấp thụ khí

3. Phân biệt HTU theo pha khí, pha lỏng và tổng thể

Theo mô hình hai màng, truyền khối có thể chịu trở lực từ cả màng khí và màng lỏng. Vì vậy trong tính toán thường gặp:

  • \(H_G\): chiều cao đơn vị truyền khối riêng phía khí;
  • \(H_L\): chiều cao đơn vị truyền khối riêng phía lỏng;
  • \(H_{OG}\): chiều cao đơn vị truyền khối tổng thể quy về pha khí;
  • \(H_{OL}\): chiều cao đơn vị truyền khối tổng thể quy về pha lỏng.

Nếu biểu diễn động lực truyền khối theo phần mol:

$$N_A = k_y(y-y_i)k_x(x_i-x) K_y(y-y^*)$$

với \(x_i,y_i\) là nồng độ tại giao diện khí – lỏng.

Nếu đường cân bằng gần tuyến tính:

$$y^*=mx$$

thì:

$$\frac{1}{K_y} = \frac{1}{k_y} + \frac{m}{k_x}$$

Nếu sử dụng hệ số thể tích:

$$\frac{1}{K_ya_e} = \frac{1}{k_ya_e} + \frac{m}{k_xa_e}$$

Định nghĩa:

$$H_G = \frac{G'}{k_ya_e}$$
$$H_L = \frac{L'}{k_xa_e}$$

và:

$$H_{OG} = \frac{G'}{K_ya_e}$$

Trong đó \(G'\) và \(L'\) là molar flux của khí và lỏng tính trên diện tích tiết diện tháp.

Từ quan hệ trở lực:

$$H_{OG} = H_G + \frac{mG'}{L'}H_L$$

Đặt absorption factor:

$$A_F = \frac{L'}{mG'}$$

ta được:

$$H_{OG} = H_G+\frac{H_L}{A_F}$$

Quan hệ này rất hữu ích để xác định pha nào đang chi phối truyền khối.

Nếu:

$$H_G \gg \frac{H_L}{A_F}$$

thì:

$$H_{OG}\approx H_G$$

nghĩa là trở lực phía khí chi phối.

Ngược lại, khi trở lực màng lỏng đáng kể, không thể bỏ qua thành phần \(H_L/A_F\).

4. Tính HTU từ hệ số truyền khối tổng thể KGa

Trong nhiều tài liệu kỹ thuật, động lực truyền khối được biểu diễn bằng chênh lệch áp suất riêng phần:

$$N_A = K_Ga_e(p_A-p_A^*)$$

Với khí loãng:

$$p_A-p_A^* = P(y-y^*)$$

Nếu \(G_M'\) là molar gas flux tổng:

$$HTU_{OG} = \frac{G_M'}{K_Ga_eP}$$

Trong đó:

  • \(G_M'\): \(\mathrm{kmol/(m^2\cdot h)}\);
  • \(K_G\): \(\mathrm{kmol/(m^2\cdot h\cdot pressure)}\);
  • \(a_e\): \(\mathrm{m^2/m^3}\);
  • \(P\): áp suất tuyệt đối.

Kiểm tra thứ nguyên:

$$\frac{ \mathrm{kmol/(m^2h)} }{ [\mathrm{kmol/(m^2h\cdot pressure)}] [\mathrm{m^2/m^3}] [\mathrm{pressure}] } = m$$

Đây là một bước kiểm tra rất quan trọng khi xây bảng tính hoặc calculator.

Một lỗi thường gặp là nhầm giữa \(K_G\) và \(K_Ga\). Nếu dữ liệu nhà sản xuất hoặc tài liệu đã cung cấp trực tiếp hệ số thể tích:

$$K_Ga$$

thì không được nhân thêm diện tích packing lần nữa.

Nói cách khác, trước khi dùng công thức HTU cần xác định rõ dữ liệu đầu vào là:

$$K_G$$

hay:

$$K_Ga$$

5. Diện tích packing hình học và diện tích truyền khối hiệu dụng

Packing thường được công bố diện tích bề mặt hình học:

$$a_t$$

đơn vị \(\mathrm{m^2/m^3}\).

Tuy nhiên truyền khối chỉ diễn ra hiệu quả trên phần bề mặt thực sự được chất lỏng thấm ướt và tiếp xúc với khí. Vì vậy cần phân biệt:

$$a_e\le a_t$$

Trong random packing, \(a_e\) phụ thuộc vào:

  • liquid loading;
  • sức căng bề mặt;
  • độ nhớt dung dịch;
  • vật liệu packing;
  • kích thước packing;
  • chất lượng phân phối lỏng;
  • điều kiện thủy động học trong lớp đệm.

Không nên mặc định:

$$a_e=a_t$$

Nếu lấy toàn bộ diện tích hình học làm diện tích truyền khối, \(K_Ga\) có thể bị đánh giá cao và HTU bị đánh giá thấp, dẫn đến chiều cao lớp đệm thiếu.

Sự khác nhau giữa diện tích bề mặt hình học và diện tích truyền khối hiệu dụng của packing

6. Tính HTU bằng correlation truyền khối

Khi không có dữ liệu trực tiếp về \(K_Ga\) hoặc HTU, có thể tính từ các correlation truyền khối của packing.

Logic tổng quát là:

$$Q_G,Q_L + \text{packing} + \text{physical properties}$$
$$\downarrow$$
$$a_e,\quad k_G,\quad k_L$$
$$\downarrow$$
$$K_Ga_e$$
$$\downarrow$$
$$HTU_{OG}$$

Đối với random packing, phương pháp Onda là một trong các correlation kinh điển thường được tham khảo để xác định diện tích ướt và hệ số truyền khối.

6.1. Dữ liệu đầu vào

Tối thiểu cần có:

  • diện tích riêng của packing \(a_t\);
  • kích thước đặc trưng của packing;
  • vật liệu packing;
  • gas loading;
  • liquid loading;
  • \(\rho_G,\rho_L\);
  • \(\mu_G,\mu_L\);
  • sức căng bề mặt \(\sigma_L\);
  • hệ số khuếch tán \(D_G,D_L\).

Các đại lượng này thường được chuyển thành các nhóm không thứ nguyên như Reynolds, Schmidt, Weber và Froude.

7. Xác định hệ số truyền khối phía khí

Các correlation phía khí thường có dạng:

$$Sh_G = f(Re_G,Sc_G,\text{packing geometry})$$

Trong đó:

$$Sh_G = \frac{k_Gd_p}{D_G}$$
$$Re_G = \frac{\rho_Gu_Gd_p}{\mu_G}$$
$$Sc_G = \frac{\mu_G}{\rho_GD_G}$$

Với:

  • \(d_p\): kích thước đặc trưng của packing, m;
  • \(u_G\): vận tốc khí bề mặt, m/s;
  • \(D_G\): hệ số khuếch tán của cấu tử trong pha khí, \(\mathrm{m^2/s}\).

Từ \(Sh_G\) có thể suy ra \(k_G\).

Về xu ...

NỘI DUNG NÂNG CAO

Nội dung dành cho hội viên

Bài viết này yêu cầu quyền truy cập phù hợp. Vui lòng đăng nhập hoặc nâng cấp gói để xem toàn bộ nội dung.

  • Xem đầy đủ nội dung chuyên ngành
  • Truy cập bảng biểu và công thức kỹ thuật
  • Sử dụng tài nguyên theo quyền của gói
  • Quyền truy cập phụ thuộc vào cấp độ từng bài viết
Xem gói dịch vụ

Xem hướng dẫn đăng ký tài khoản trả phí bấm vào đây

Bài viết liên quan

Các loại đệm tháp hấp thụ: thông số, thủy lực và truyền khối Basic Xác định đặc tính thủy lực packing cho tháp đệm — ΔP/Z, loading và flooding Basic Phương pháp Onda xác định HTU cho tháp đệm hấp thụ khí — hướng dẫn kỹ thuật Basic Hấp thụ – oxy hóa H₂S bằng NaOH + NaOCl Basic Các loại tháp hấp thụ: Cấu tạo, nguyên lý và phạm vi ứng dụng Basic