Xử lý khí thải bằng phương pháp hấp thụ

Tháp hấp thụ

I. Nguyên lý:

Cơ sở của phương pháp là dựa trên sự tương tác giữa chất cần hấp thụ (thường là khí hoặc hơi) với chất hấp thụ (thường là chất lỏng) hoặc dựa vào khả năng hòa tan khác nhau của các chất khác trong chất lỏng để tách chất.

Tuỳ thuộc vào bản chất của sự tương tác nói trên mà người ta chia thành sự hấp thụ vật lý hay sự hấp thụ hóa học.

1. Hấp thụ vật lý

Là quá trình dựa trên sự tương tác vật lý thuần túy; nghĩa là chỉ bao gồm sự khuếch tán, hòa tan các chất cần hấp thụ vào trong lòng chất lỏng và sự phân bố của chúng giữa các phần tử chất lỏng. Ví dụ như sự phân bố của khí hoà tan giữa các phân tử chất lỏng: NH3/aceton, CO/benzen, trimetylamin/dầu hoả, sự hoà tan của khí SO3/H2SO4.

Độ hòa tan của một chất cần hấp thụ trong lòng chất lỏng luôn luôn là một hàm của nhiều biến số. Nếu gọi D là độ tan thì ta có thể biểu diễn nó như sau.

D = f (x1, x2…. xj. T, S, P, kD…)

trong đó:

x:         là nồng độ của các chất khí hoặc hơi trong chất lỏng. T: là nhiệt độ làm việc.

S: là diện tích tiếp xúc giữa hai pha.

P: là áp suất riêng phần của hơi hoặc khí trong pha khí.

kD: là hệ số khuếch tán của chất được hấp thụ trong pha lỏng.

Ta có thể biểu diễn quá trình hấp thụ qua sơ đồ sau:

Trong trường hợp     xj  0

P  0

Thực tế quá trình hấp thụ trên là quá trình động, trên bề mặt tiếp xúc giữa các pha luôn luôn có quá trình cân bằng xảy ta và sự chuyển dịch cân bằng. Do vậy đòi hỏi phải quan tâm đến quá trình chuyển pha (từ pha khí sang pha lỏng, các phản ứng xảy ra khi có tiếp xúc pha, quá trình chuyển chất vào sâu trong lòng chất lỏng cũng như các ảnh hưởng của nhiều yếu tố đến cân bằng vật chất trên ranh giới phân cách pha).

Vì thế, quá trình hấp thụ sẽ tăng khi diện tích tiếp xúc hai pha tăng và nhiệt độ làm việc giảm; riêng hiệu suất xử lý thì còn phụ thuộc nhiều vào áp suất riêng phần của khí hoặc hơi và nồng độ của chúng trong pha lỏng.

Để tăng hiệu quả xử lý, người ta thường dùng các kiểu thiết bị làm tăng diện tích tiếp xúc tối đa, truyền nhiệt tốt và hạn chế sự tăng của chất điện ly trong pha lỏng (đối với trường hợp chất bị hấp thụ là khí). Có các kiểu thiết bị thông dụng như: tháp hấp thụ có tầng đệm, tháp hấp thụ sủi bọt, tháp phun…

2. Hấp thụ hóa học

Hấp thụ hóa học là một quá trình luôn đi kèm với một hay nhiều phản ứng hóa học. Một quá trình hấp thụ hoá học bao giờ cũng bao gồm 2 giai đoạn: giai đoạn khuếch tán và giai đoạn xảy ra các phản ứng hóa học. Như vậy sự hấp thụ hóa học không những phụ thuộc vào tốc độ khuếch tán của chất khí vào trong chất lỏng mà còn phụ thuộc vào tốc độ chuyển hóa các chất – tốc độ phản ứng của các chất.

Trong hấp thụ hóa học, chất được hấp thụ có thể phản ứng ngay với các phần tử của chính chất hấp thụ. Thí dụ: amoniac hay khí sunphurơ hấp thụ vào nước:

NH3 + H2O ⇔ NH4OH ⇔ NH4+ + OH-

SO2 + H2O ⇔ H2SO3 ⇔ H+ + HSO3-

Chất được hấp thụ phản ứng với các thành phần hoạt động trong chất hấp thụ (thông thường là dung dịch của các chất hoạt động). Thí dụ như hấp thụ CO2, SO2 trong dung dịch NaOH:

CO2 + 2NaOH ⇔ Na2CO3 + H2O

Na2CO3 + H2O + CO2 ⇔ 2NaHCO3

Với SO2 cũng có phản ứng tương tự.

Trong trường hợp chúng ta có thể biểu diễn phương trình phản ứng một cách tổng quát như sau:

Khi đạt tới cân bằng, hằng số cân bằng, phản ứng có dạng

Kcb càng lớn bao nhiêu thì quá trình hấp thụ xảy ra càng thuận lợi bấy nhiêu.

Giá trị [A] là nồng độ tự do của chất A trong dung dịch chưa tham gia vào phản ứng.

II. Sự chuyển chất trong quá trình hấp thụ

Khi chưa đạt tới cân bằng giữa các pha (chẳng hạn pha hấp thụ là lỏng và pha bị hấp thụ là khí) thì xảy ra sự chuyển chất từ pha này sang pha khác – quá trình này gọi là sự chuyển khối.

Tương tự như sự truyền nhiệt, sự chuyển khối là một quá trình phức tạp, bao gồm các quá trình chuyển chất tới ranh giới giữa các pha. Khi xét quá trình này, người ta dựa vào một số giả thuyết mà ta không xét tới tới đây. Để đơn giản, người ta dựa vào phương trình chuyển khối:

WA = β.F.∆

trong đó: WA là lượng chất chuyển được trong một đơn vị thời gian; F là bề mặt tiếp xúc; β là lực chuyển động-biểu diễn cho sự khác nhau về nồng độ dung dịch tại thời gian hấp thụ với nồng độ ở thời điểm cân bằng; ∆ là hệ số tỷ lệ (hệ số chuyển khối)-lượng chất chuyển vào bên trong pha trong một đơn vị thời gian qua một đơn vị bề mặt khi chuyển động bằng l, chịu ảnh hưởng của mật độ, độ nhớt, hệ số khuếch tán, nhiệt độ, áp suất nồng độ của, chất trong chất hấp thụ và sức năng bề mặt.

Tuy nhiên, tuỳ trường hợp cụ thể, người ta phải xem xét xem cơ chế chuyển chất sẽ là khuếch tán phân tử hay khuếch tán rối là chính để đưa ra các mô hình chuyển chất

III. Các loại thiết bị hấp thụ

1. Thiết bị hấp thụ kiểu màng chất lỏng

Màng chất lỏng trong thiết bị hình tháp được tạo thành khi cho chất lỏng chảy thành màng theo các ống, tấm tĩnh hay đĩa quay bố trí hợp lý trong tháp. Chất lỏng theo màng có thể chuyển động từ trên xuống dưới và khí đi từ dưới lên trên; rất ít khi sử dụng chế độ chuyển động cùng chiều từ dưới lên trên chế độ làm việc này chỉ sử dụng khi tốc độ của dòng khí thải cao – trên 15 – 20 m/s). Với thiết bị màng ống và màng tấm, người ta thường áp dụng cho khí thải có tốc độ trung bình từ 4 đến 5 m/s. Thiết bị hấp thụ kiểu màng chất lỏng có ưu điểm là tạo được diện tích tiếp xúc pha khá lớn và có khả năng tách, thoát nhiệt tốt đồng thời với quá trình hấp thụ.

=> xem thêm Xử lý khí thải bằng tháp hấp thụ

Ngày nay người ta ít dùng các thiết bị hấp thụ kiểu màng ống và màng tấm. Duy còn phổ biến hơn cả là trong trường hợp hấp thụ một số khí hoà tan tốt, có nồng độ cao từ hỗn hợp khí đậm đặc đồng thời có sự toả nhiệt mạnh như HCl, NH3…

2. Thiết bị màng đĩa quay

Có cấu tạo giống như thiết bị đĩa quay trong xử lý bụi và sol. Chất lỏng để hấp thụ được phân bố đều trên các tầng đĩa, chuyển động từ trên xuống và được quay tròn liên tục trong suốt quá trình xử lý. Thực nghiệm cho thấy tốc độ chuyển khối tăng khi tăng số vòng quay của đĩa. Trong thiết bị màng quay, sức cản thủy lực nhỏ và có thể làm việc với mức tiêu hao chất hấp thụ thấp.

Trong công nghiệp, thiết bị này vẫn được sử dụng thí dụ như để hấp thụ HCl hay SO2 bằng Na2S trong sản xuất natrithiosunphat (Na2S2O3). Thiết bị có 11 với đường kính 800 mm, tốc độ quay là 150 vòng/phút, làm việc được với năng suất là 1.700 m3/h.

3. Tháp hấp thụ loại đệm

Được dùng phổ biến nhất. Trong tháp, người ta thường nhồi các vật thể lồng cồng như ốc, sành sứ, lò so kim loại. vụn than cốc… để làm tăng diện tích tiếp xúc hai pha. Khi vận hành, khí thải được đi từ dưới lên trên còn chất lỏng thì đi từ trên xuống dưới. Lưu lượng của hai pha luôn được tính toán trước để thiết bị đạt hiệu quả cao nhất. Khi chất lỏng chảy trên bề mặt các vật thể đệm, về cơ bản chúng có đặc trưng của màng chất lỏng. Tuy nhiên về bản chất của quá trình vận hành, giữa thiết bị hấp thụ màng và thiết bị hấp thụ đệm có sự khác nhau. Ở thiết bị hấp thụ màng, màng chất lỏng chuyển động liên tục theo chiều cao của tháp hấp thụ; còn trong thiết bị hấp thụ đệm thì khi nàng chất lỏng chuyển động từ đơn nguyên của vật đệm này sang đơn nguyên của vật đệm khác thì màng cũ bị phá vỡ và màng mới được hình thành. Quá trình này được lặp đi lặp lại trong suốt chiều dài của tháp. Việc phá vỡ là do sự chuyển động ngược chiều của dòng khí. Do vậy mà tháp đệm phần nào còn mang tính chất như một tháp hấp thụ sủi bọt.

Sự chuyển động thuận dòng trong tháp đệm đôi khi cũng được sử dụng. Đó là những trường hợp khi tốc độ khí thải khá lớn (khoảng 10 m/s), không hoặc khó thực hiện được đối với kiểu ngược dòng. Sự bố trí thuận dòng sẽ làm tăng quá trình trao đổi chất, giảm trở lực thủy động và giảm kích thước của thiết bị.

Trong trường hợp sự hấp thụ đi kèm với các phản ứng thủy phân hoặc tạo kết tủa thì người ta thường dùng loại tháp hấp thụ đệm nổi. Các lớp đệm nổi (những mảnh bọt xốp polyme hay các quả cầu rỗng làm bằng chất dẻo) được “treo” lơ lửng bởi dòng khí trong tháp và bởi các tấm lưới đỡ. Giữa các lớp đệm là những khoảng trống để đảm bảo cho các kết tủa không làm tắc nghẽn sự lưu thông của dòng khí qua các lớp đệm. Tất nhiên ở đây chất hấp thụ lỏng cũng được chuyển động từ trên đi xuống.

Các nghiên cứu thủy động học và chuyển khối trong các thiết bị hấp thụ đệm nổi cho thấy, tháp hấp thụ kiểu này có thể làm việc với tốc độ dòng khí lớn mà không bị tắc nghẽn. Nhược điểm của tháp hấp thụ đệm nổi là khó thoát nhiệt trong quá trình hấp thụ. Muốn tách nhiệt, người ta thường phải sử dụng làm lạnh tuần hoàn.

Trong công nghiệp sản xuất axit phophoric từ quặng người ta đã sử dụng kiểu tháp hấp thụ đệm nổi để hấp thụ khí SiF4 hay SiCl4 vào nước vì chúng tạo thành axit silisic không tan trong nước hay dùng huyền phù vôi để hấp thụ các khí như CO2, SO2

4. Tháp hấp thụ sủi bọt (giống như tháp sủi bọt trong xử lý bụi)

Thường được sử dụng trong trường hợp tải lượng cao, áp suất khí phải lớn và quá trình hấp thụ có sự toả nhiệt, cần được làm lạnh.

Các kiểu tháp hấp thụ sủi bọt chính gồm (l) sủi bọt qua lưới (hay vật xốp), (2) sủi bọt qua các đĩa chụp xen kẽ và (3) trộn cơ học khí và chất lỏng.

Hấp thụ kiểu sủi bọt có nhược điểm lớn nhất là luôn có lớp bọt chiếm thể tích khá lớn trong thiết bị. Việc chuyển động của chất lỏng gặp phải trở lực lớn. Các nhà thiết kế đã có nhiều công trình làm giảm bớt những nhược điểm trên để có thể sử dụng kiểu hấp thụ này trong công nghiệp vì nó có hệ số chuyển khối rất cao.

Chiều cao lớp chất lỏng tăng sẽ làm tăng khả năng hấp thụ song đồng thời cũng tăng trở lực của thiết bị. Vì vậy, thông thường người ta không tăng lớp chất lỏng quá 50mm.

5. Tháp hấp thụ kiểu đĩa chụp

Tháp hấp thụ kiểu đĩa chụp tạo ra sự chuyển động đối dòng của dòng hơi, khí thải và chất lỏng hấp thụ qua từng bậc một. Chất lỏng đi từ phía trên đĩa xuống, rơi vào đáy của đĩa ở phía dưới rồi tiếp tục chảy xuống phía trên của đĩa tiếp theo. Còn khí thì len lỏi cũng theo con đường ấy nhưng ngược chiều với chất lỏng.

6. Tháp phun

Là loại thiết bị hấp thụ đơn giản. Trong tháp phun, chất lỏng được phun thành bụi mù (sương) từ phía trên xuống, khí thường đi từ dưới lên nhằm làm tăng diện tích tiếp xúc và để nồng độ thực tế của chất cần hấp thụ trong pha khí giảm dần theo chiều từ dưới đi lên và nồng độ chất bị hấp thụ trong pha lỏng được tăng dần theo chiều từ trên đi xuống. Quá trình này rất có lợi cho việc tăng hiệu quả xử lý.

Tháp hấp thụ phun có thể chia ra làm ba kiểu khác nhau: (1) thiết bị hấp thụ phun kiểu thùng rỗng, (2) thiết bị hấp thụ phun thuận dòng tốc độ cao và (3) thiết bị hấp thụ phun sương kiểu cơ khí.

* Đối với kiểu thùng rỗng

Thiết bị hấp thụ kiểu thùng rỗng có vòi phun sương thường được đặt ở phía trên phun xuống. Trong trường hợp tháp hấp thụ có chiều cao lớn, người ta thường đặt các vòi phun chia ra ở các tầng khác nhau.

Thiết bị hấp thụ thùng rỗng có ưu điểm là đơn giản, đầu tư thấp, lực cản thủy động nhỏ và có thể sử dụng đối với khí thải có độ nhiễm bẩn cao; chất lỏng dùng để hấp thụ có thể quay vòng cho tới khi hấp thụ no mới thải cho nên tiết kiệm được chất hấp thụ.

Nhược điểm của thiết bị thùng rỗng là khí thường phân bố không đều trong toàn bộ tháp dẫn dấn làm giảm hiệu suất xử lý. Tuy nhiên để khí phân bố đều người ta đã tạo ra các bộ phận phân phối khí như phân phối khí qua miệng thắt, phân phối khí thông qua màng phán phối xốp hay phân phối khí theo dòng xoáy kiểu cyclon…

Thêm nữa, đo loại thiết bị kiểu này hiệu quả xử lý không cao vì hệ số chuyển khối thấp, nên tốc độ dòng khí không được quá lớn (phải nhỏ hơn 1 m/s) để tránh hiện tượng chất lỏng bị cuốn theo khí ra ngoài.

* Thiết bị phun thuận dòng tốc độ cao

Thiết bị kiểu này phù hợp với dòng khí thải có vận tốc lớn (khoảng từ 20 – 30 m/s). Cho nên, khi vận hành chất lỏng thường bị cuốn theo cùng dòng khí, sau đó được tách ra bởi một thiết bị kèm theo. Thiết bị phun thuận dòng tốc độ cao có dạng như kiểu thiết bị Venturi (giống như trong xử lý bụi). Khí thải với tốc độ cao đi qua ống thắt, cuốn theo chất lỏng từ cửa chờ dưới dạng bụi sương và cùng đi vào vùng khuếch tán rồi tới bộ phận tách chất lỏng. Trong vùng khuếch tán, động năng của dòng khí chuyển thành áp lực với mức hao hụt là cực tiểu. Thiết bị phun thuận dòng tốc độ cao được sử dụng khá phổ biến trong xử lý khí thải.

* Thiết bị phun sương kiểu cơ khí

Ít được sử dụng, nó chỉ phù hợp trong những trường hợp đặc biệt. Tóm lại, các loại thiết bị dùng trong hấp thụ rất hay được sử dụng trong công nghiệp bởi khả năng loại bỏ đồng thời cả bụi và khí cũng như khả năng làm sạch triệt để bụi của nó. Tuy nhiên, tuỳ trường hợp cụ thể, tuỳ lưu lượng, nồng độ và cường độ bụi khí thải mà chúng ta sẽ tìm chọn phương pháp phù hợp.

Author: Vũ Xuân Vi

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *