Chuyên mục về kỳ thi chuyên ngành kỹ sư hóa học – Phần 6: Quá trình hấp thụ khí
Thread Content
Bài viết này cuối cùng được chỉnh sửa bởi zhanghp30 vào ngày 2018-10-13 lúc 23:02. 1. Khi các yếu tố như tỷ lệ phản ứng hấp thụ, nhiệt độ khí đầu vào, nồng độ khí đầu ra, nồng độ chất hấp thụ khi vào tháp, và áp suất hoạt động đều không thay đổi, giả sử chúng ta muốn hấp thụ hỗn hợp khí gồm hai thành phần có nồng độ thấp. Nếu chọn loại vật liệu lót có hiệu suất tốt hơn trong quá trình thiết kế, thì các khẳng định sau là sai: (BCD). A. Số lượng các đơn vị truyền chất vẫn không thay đổi; chiều cao của lớp vật liệu lót giảm xuống； Số lượng các đơn vị truyền chất cần thiết vẫn không thay đổi; chiều cao của lớp vật liệu lấp đầy cũng không thay đổi ； Số lượng các đơn vị truyền chất cần thiết giảm đi, độ cao của lớp vật liệu lấp đầy cũng giảm theo ； Số lượng các đơn vị truyền chất cần thiết không thay đổi, chiều cao của lớp vật liệu lấp đầy cũng không thay đổi ； Số lượng các đơn vị truyền chất BCD phụ thuộc vào trạng thái cân bằng pha và nồng độ tại các điểm nhập/xuất. Khi những yếu tố này không thay đổi, thì số lượng các đơn vị truyền chất cũng sẽ không thay đổi ； Chọn vật liệu lấp đầy tốt sẽ làm giảm chiều cao của các đơn vị truyền chất; trong khi số lượng các đơn vị truyền chất vẫn không thay đổi. Do đó, chiều cao của lớp vật liệu lấp đầy cũng giảm xuống. Lưu ý rằng cần chọn phương án không đúng theo yêu cầu của bài toán! 2. Trong tháp hấp thụ, nước sạch được dùng để hấp thụ khí amoniac có trong hỗn hợp khí. Khi lượng nước được bơm vào giảm đi, số lượng các đơn vị truyền chất qua pha khí sẽ (A). A. Tăng lên B. Giảm xuống C. Không thay đổi D. Không thể xác định được. A. S = m·G/L; khi L giảm, S tăng lên. Do đó, lực thúc đẩy quá trình hấp thụ giảm, còn lực thúc đẩy quá trình truyền chất lại tăng lên. 3. Trong tháp đựng chất lỏng, người ta sử dụng dung môi tinh khiết để hấp thụ các thành phần có thể hòa tan trong hỗn hợp, cụ thể là thành phần A, theo chiều ngược dòng. Được biết, thành phần ban đầu của chất A trong hỗn hợp khí là 0,06 (tỷ lệ mol, tương tự như vậy). Thành phần của khí sau quá trình hấp thụ là 0,005; thành phần của dung dịch sau quá trình hấp thụ là 0,095. Trong điều kiện vận hành, mối quan hệ cân bằng giữa pha khí và pha lỏng là y = 0,6x. Hệ số truyền chất giữa pha lỏng và pha khí tỷ lệ thuận với Ky*a, và tỷ lệ thuận với G^0,7; còn hệ số Kx*a thì tỷ lệ thuận với L^0,7. Quá trình hấp thụ diễn ra dưới sự kiểm soát của lớp màng khí, với giá trị HOG = 1m. Hãy tính: (1) Thành phần của pha khí tại mặt cắt ngang của chu trình khi chiều cao lớp vật liệu lót giảm đi một nửa ； (2) Khi lưu lượng pha lỏng tăng lên, nếu giữ nguyên lưu lượng pha khí và thành phần của hỗn hợp khí-lỏng ở điểm đầu vào, thì lượng chất tan A bị hấp thụ sẽ thay đổi như thế nào? A. Tăng lên B. Giảm xuống C. Không thay đổi D. Không thể xác định được.4. Một công ty chuyên về công nghệ môi trường nổi tiếng ở Thượng Hải đã nhận nhiệm vụ từ một công ty nước ngoài để xử lý các chất tan trong hỗn hợp khí. Sau khi kiểm tra ban đầu, người ta nhận thấy thành phần ban đầu của chất khí A là 0,045. Người ta sử dụng tháp đầy để hấp thụ chất A bằng dung môi tinh khiết, theo chiều ngược dòng. Thành phần của khí ở điểm thoát ra là 0,018, còn thành phần của dung dịch ở điểm thoát ra là 0,088. Trong điều kiện hoạt động này, mối quan hệ cân bằng giữa pha khí và pha lỏng là y = 0,5x. Biết rằng quá trình hấp thụ này được kiểm soát bởi lớp khí, hãy tính: (1) Số đơn vị truyền chất ở pha khí, NOG ； (2) Chủ đầu tư yêu cầu rằng, trong trường hợp thành phần của khí và hỗn hợp khí-lỏng ở lối vào không thay đổi, khi lưu lượng chất lỏng tăng gấp đôi, nồng độ chất khí sau khi được hấp thụ ở lối ra không được vượt quá 0,006. Kỹ sư công nghệ thực hiện các phép tính liên quan đến quy trình sản xuất, và cuối cùng xác định được các chỉ số mà chủ đầu tư yêu cầu. A: Có thể đạt được.
B: Không thể đạt được.
C: Thiếu điều kiện cần thiết.
D: Không thể xác định được.
5. Tại một vị trí nhất định trong tháp hấp thụ, nồng độ của pha khí là y = 0,025; nồng độ của pha lỏng là x = 0,01. Hệ số truyền chất từ pha khí sang pha lỏng là ky = 2 kmol/m²·h; hệ số truyền chất tổng thể từ pha khí là Ky = 1,5 kmol/m²·h. Mối quan hệ cân bằng là y = 0,5x. Vậy nồng độ của pha khí tại mặt tiếp xúc giữa khí và lỏng là bao nhiêu?
ye = 0,5 * 0,01 = 0,005.
NA = Ky(y – ye) = ky(y – yi). Do đó:
1,5 * (0,025 – 0,005) = 2 * (0,025 – yi)
=> yi = 0,01.
6. Chiều cao của vật liệu lót trong tháp hấp thụ là 4,5 m. Nước sạch được sử dụng để hấp thụ các chất độc hại có trong khí thải. Mối quan hệ cân bằng là y = 1,5x. Nồng độ của pha lỏng ở đầu ra là 0,008. Nồng độ của pha khí ở đầu vào là 0,02, còn ở đầu ra là 0,004.
(1) NOG.
(2) Tỷ lệ giữa lượng chất lỏng và khí trong quá trình hoạt động ít nhất gấp bao nhiêu lần tỷ lệ tối thiểu?
(3) Yêu cầu của cơ quan bảo vệ môi trường là nồng độ khí thải phải nhỏ hơn 0,003. Làm thế nào để đạt được tiêu chuẩn này?
(1) V/L = 0,0008 / (0,02 – 0,004) = 0,5. S = mV/L = 1,5 * 0,5 = 0,75. NOG = 1 / (1 – S) * Ln = 2,77.
(2) (L/V)min = (y1 – y2) / (x1 – x2) = 1,2. (L/V) / (L/V)min = 2 / 1,2 = 1,667.
(3) Thông thường, người ta giải quyết vấn đề này bằng cách giữ nguyên tỷ lệ giữa chất lỏng và khí, nhưng tăng chiều cao của vật liệu lót. Do đó, NOG’ = 1 / (1 – S) * Ln. Ở đây, y2’ = 0,003, vậy NOG’ = 3,53. Chiều cao vật liệu lót cần tăng thêm là deltaH = HOG(NOG’ – NOG) = (4,5 / 2,77) * (3,53 – 2,77) = 1,23 m
7. Sử dụng phương pháp hấp thụ ngược để hấp thụ benzen từ hỗn hợp khí. Biết rằng hỗn hợp khí chứa 5% benzen về mặt tỷ lệ thể tích; các thành phần còn lại không phải là chất trơ. Tỷ lệ thu hồi benzen là 95%. Lưu lượng khí vào tháp là 42,4 kmol/giờ. Chất hấp thụ là dầu hỏa không chứa benzen. Lượng dầu hỏa sử dụng bằng 1,5 lần lượng tối thiểu cần thiết. Đường kính tháp là 0,6 m. Dưới điều kiện hoạt động, mối quan hệ cân bằng là ye = 0,14x. Hệ số truyền chất trong pha khí là Kya = 125 kmol/m³·h. Khối lượng mol trung bình của dầu hỏa là 170 kg/kmol.
(1) Lượng dầu hỏa tiêu thụ (kg/giờ):
(2) Nồng độ dầu hỏa khi ra khỏi tháp:
(3) Chiều cao của vật liệu lót tháp:
(4) Lượng benzen được thu hồi mỗi giờ:
(5) Những biện pháp nào có thể được áp dụng để nâng cao tỷ lệ thu hồi?
(1) y1 = 0,05; Q = 0,95; x2 = 0; V = 42,4 kmol/giờ; L/V = 1,5.
L/V (phút) = 1,5 × (y1 – y2) / (x1* – x2) = 1,5 m.
Q = 1,5 × 0,14 × 0,95 = 0,1995.
L = 0,1995 × 42,4 = 8,459 kmol/giờ = 8,459 × 170 = 1438 kg/giờ.
(2) y2 = y1(1 – Q) = 0,0025.
X1 = G/L × (y1 – y2); x1 = 0,238.
(3) S = mV/L = 0,14 / 0,1995 = 0,702.
NOG = 1 / (1 – S) × Ln = 6,76.
HOG = G/Kya = 1,2 m.
H = NOG × HOG = 8,1 m.
(4) Lượng benzen được thu hồi: M = V × (y1 – y2) × 78 = 42,4 × (0,05 – 0,0025) × 78 = 157 kg/giờ.
(5) Các biện pháp nhằm nâng cao tỷ lệ thu hồi là tăng hiệu suất hấp thụ, tức là tăng áp suất và nhiệt độ, từ đó tăng tỷ lệ giữa lỏng và khí.
8. Đối với tháp lót hoạt động theo phương pháp hấp thụ ngược, khi hệ số khử hấp thụ S > 1, nếu tháp có chiều cao vô hạn, thì hai pha khí và lỏng sẽ đạt trạng thái cân bằng ở ( ).
(A) Đỉnh tháp; (B) Đáy tháp; (C) Giữa tháp; (D) Toàn bộ tháp.
Đáp án: B. Vì độ dốc của đường cong cân bằng lớn hơn độ dốc của đường cong hoạt động, nên đường cong hoạt động sẽ kéo dài vô hạn (do chiều cao tháp vô hạn), và sẽ giao với đường cong cân bằng ở điểm có nồng độ cao nhất, tức là ở đáy tháp.
9. Việc sử dụng phương pháp hấp thụ hóa học sẽ khiến cho phương pháp hấp thụ vật lý ban đầu ( ).
(A) Tăng ma sát ở màng lỏng, ma sát ở màng khí không thay đổi;
(B) Giảm ma sát ở màng lỏng, ma sát ở màng khí không thay đổi;
(C) Tăng ma sát ở màng lỏng, giảm ma sát ở màng khí;
(D) Giảm ma sát ở màng lỏng, giảm ma sát ở màng khí.
Đáp án: B.
10. Đối với hệ thống hấp thụ ngược, nếu S = 1, thì số lượng đơn vị truyền chất trong pha khí bằng ( ) số lượng tầng lý thuyết. Nếu S > 1, thì số lượng đơn vị truyền chất trong pha khí ( ) số lượng tầng lý thuyết.
(A) Bằng; (B) Nhỏ hơn; (C) Lớn hơn; (D) Không xác định.
Đáp án: (A) Bằng; (C) Lớn hơn.
11. Trong quá trình hấp thụ khí có nồng độ thấp, nếu các điều kiện hoạt động khác không thay đổi, chỉ có lưu lượng khí vào tháp giảm xuống, thì số lượng đơn vị truyền chất trong pha lỏng NOG sẽ ( ); chiều cao của các đơn vị truyền chất trong pha lỏng HOG sẽ ( ); số lượng đơn vị truyền chất trong pha khí NOG sẽ ( ); chiều cao của các đơn vị truyền chất trong pha khí sẽ ( ); độ dốc của đường cong hoạt động sẽ ( ).
(A) Tăng; (B) Giảm; (C) Không thay đổi; (D) Không xác định.
Đáp án: (C) Không thay đổi; (B) Giảm; (A) Tăng; (C) Không thay đổi.
(1) Lượng dầu hỏa tiêu thụ (kg/giờ):
(2) Nồng độ dầu hỏa khi ra khỏi tháp:
(3) Chiều cao của vật liệu lót tháp:
(4) Lượng benzen được thu hồi mỗi giờ:
(5) Những biện pháp nào có thể được áp dụng để nâng cao tỷ lệ thu hồi?
(1) y1 = 0,05; Q = 0,95; x2 = 0; V = 42,4 kmol/giờ; L/V = 1,5.
L/V (phút) = 1,5 × (y1 – y2) / (x1* – x2) = 1,5 m.
Q = 1,5 × 0,14 × 0,95 = 0,1995.
L = 0,1995 × 42,4 = 8,459 kmol/giờ = 8,459 × 170 = 1438 kg/giờ.
(2) y2 = y1(1 – Q) = 0,0025.
X1 = G/L × (y1 – y2); x1 = 0,238.
(3) S = mV/L = 0,14 / 0,1995 = 0,702.
NOG = 1 / (1 – S) × Ln = 6,76.
HOG = G/Kya = 1,2 m.
H = NOG × HOG = 8,1 m.
(4) Lượng benzen được thu hồi: M = V × (y1 – y2) × 78 = 42,4 × (0,05 – 0,0025) × 78 = 157 kg/giờ.
(5) Các biện pháp nhằm nâng cao tỷ lệ thu hồi là tăng hiệu suất hấp thụ, tức là tăng áp suất và nhiệt độ, từ đó tăng tỷ lệ giữa lỏng và khí.
8. Đối với tháp lót hoạt động theo phương pháp hấp thụ ngược, khi hệ số khử hấp thụ S > 1, nếu tháp có chiều cao vô hạn, thì hai pha khí và lỏng sẽ đạt trạng thái cân bằng ở ( ).
(A) Đỉnh tháp; (B) Đáy tháp; (C) Giữa tháp; (D) Toàn bộ tháp.
Đáp án: B. Vì độ dốc của đường cong cân bằng lớn hơn độ dốc của đường cong hoạt động, nên đường cong hoạt động sẽ kéo dài vô hạn (do chiều cao tháp vô hạn), và sẽ giao với đường cong cân bằng ở điểm có nồng độ cao nhất, tức là ở đáy tháp.
9. Việc sử dụng phương pháp hấp thụ hóa học sẽ khiến cho phương pháp hấp thụ vật lý ban đầu ( ).
(A) Tăng ma sát ở màng lỏng, ma sát ở màng khí không thay đổi;
(B) Giảm ma sát ở màng lỏng, ma sát ở màng khí không thay đổi;
(C) Tăng ma sát ở màng lỏng, giảm ma sát ở màng khí;
(D) Giảm ma sát ở màng lỏng, giảm ma sát ở màng khí.
Đáp án: B.
10. Đối với hệ thống hấp thụ ngược, nếu S = 1, thì số lượng đơn vị truyền chất trong pha khí bằng ( ) số lượng tầng lý thuyết. Nếu S > 1, thì số lượng đơn vị truyền chất trong pha khí ( ) số lượng tầng lý thuyết.
(A) Bằng; (B) Nhỏ hơn; (C) Lớn hơn; (D) Không xác định.
Đáp án: (A) Bằng; (C) Lớn hơn.
11. Trong quá trình hấp thụ khí có nồng độ thấp, nếu các điều kiện hoạt động khác không thay đổi, chỉ có lưu lượng khí vào tháp giảm xuống, thì số lượng đơn vị truyền chất trong pha lỏng NOG sẽ ( ); chiều cao của các đơn vị truyền chất trong pha lỏng HOG sẽ ( ); số lượng đơn vị truyền chất trong pha khí NOG sẽ ( ); chiều cao của các đơn vị truyền chất trong pha khí sẽ ( ); độ dốc của đường cong hoạt động sẽ ( ).
(A) Tăng; (B) Giảm; (C) Không thay đổi; (D) Không xác định.
Đáp án: (C) Không thay đổi; (B) Giảm; (A) Tăng; (C) Không thay đổi.
12. Trong tháp đầy, người ta sử dụng chất lỏng tinh khiết để hấp thụ các thành phần có thể hòa tan trong hỗn hợp khí. Biết rằng thành phần ban đầu của khí A là 0,06 (theo tỷ lệ mol). Sau quá trình hấp thụ, thành phần của khí ở đầu ra là 0,005, còn thành phần của dung dịch sau khi hấp thụ là 0,095. Trong điều kiện vận hành, mối quan hệ cân bằng giữa khí và lỏng là y = 0,6x. Hệ số truyền chất từ pha lỏng sang pha khí tỷ lệ thuận với G^0,7, còn hệ số truyền chất từ pha khí sang pha lỏng tỷ lệ thuận với L^0,7. Quá trình hấp thụ này được kiểm soát bởi lớp màng khí, với HOG = 1m. Hãy tính: (1) Chiều cao của lớp đầy và thành phần của khí ở một nửa chiều cao đó; (2) Khi lưu lượng pha lỏng tăng lên, trong khi lưu lượng khí và thành phần của khí/lỏng ở đầu vào vẫn không đổi, thì lượng chất A bị hấp thụ sẽ thay đổi như thế nào? Giải thích lý do. (1) L/V = y1 – y2 / x1 – x2; L/V = 0,579, S = mL/V = 1,036. NOG = (1/1 – S)·ln = 14. Do đó, H = NOG·HOG = 14m. Khi chiều cao của lớp đầy chỉ còn một nửa, NOG’ = 7, S vẫn không đổi. Thay vào công thức trên, ta có y’ = 0,036. (2) Khi lưu lượng pha lỏng tăng lên, trong khi lưu lượng khí và thành phần của khí/lỏng ở đầu vào vẫn không đổi, lượng chất A bị hấp thụ sẽ tăng lên. Lý do là quá trình hấp thụ được kiểm soát bởi lớp màng khí. Khi L tăng lên, V vẫn không đổi, Kya vẫn không đổi, HOG vẫn không đổi. Do đó, NOG vẫn không đổi. S = mL/V giảm xuống. Từ công thức NOG = (1/1 – S)·ln, ta thấy y2 giảm xuống, và lượng chất A bị hấp thụ = V(y1 – y2) sẽ tăng lên.
13. Trong tháp đầy, người ta sử dụng nước sạch để hấp thụ amoniac trong hỗn hợp khí. Khi máy bơm gặp sự cố và lượng nước cung cấp giảm đi, số lượng các đơn vị truyền chất khí (A) sẽ tăng lên; B giảm xuống; C vẫn không đổi. L giảm xuống, S tăng lên, do đó lực thúc đẩy quá trình hấp thụ giảm xuống, và NOG chắc chắn sẽ tăng lên.
14. Các khái niệm cơ bản: Trong quá trình hấp thụ khí, HOG là tham số biểu thị hiệu suất của thiết bị truyền chất; NOG là tham số biểu thị mức độ dễ dàng hay khó khăn trong quá trình hấp thụ.
15. Các công thức cơ bản: m = E/P, E = ps/HMs, y = mx, C* = H·P.
13. Trong tháp đầy, người ta sử dụng nước sạch để hấp thụ amoniac trong hỗn hợp khí. Khi máy bơm gặp sự cố và lượng nước cung cấp giảm đi, số lượng các đơn vị truyền chất khí (A) sẽ tăng lên; B giảm xuống; C vẫn không đổi. L giảm xuống, S tăng lên, do đó lực thúc đẩy quá trình hấp thụ giảm xuống, và NOG chắc chắn sẽ tăng lên.
14. Các khái niệm cơ bản: Trong quá trình hấp thụ khí, HOG là tham số biểu thị hiệu suất của thiết bị truyền chất; NOG là tham số biểu thị mức độ dễ dàng hay khó khăn trong quá trình hấp thụ.
15. Các công thức cơ bản: m = E/P, E = ps/HMs, y = mx, C* = H·P.