Tháp Hấp Thụ: Chi tiết về Cấu tạo, Nguyên lý hoạt động, Phân loại và Ứng dụng

Tháp hấp thụ - Absorption Tower hay Scrubber là một thiết bị công nghiệp chuyên dụng được sử dụng để loại bỏ các chất ô nhiễm dạng khí hoặc hơi độc hại ra khỏi một dòng khí thải bằng cách cho chúng tiếp xúc và hòa tan vào một chất lỏng hấp thụ.

Cấu tạo của một tháp hấp thụ cơ bản bao gồm các bộ phận chính vỏ tháp, lớp vật liệu đệm, hệ thống phân phối khí và lỏng, bể chứa dung môi và bơm tuần hoàn. Các bộ phận này phối hợp để tối đa hóa sự tiếp xúc giữa pha khí và pha lỏng.

Nguyên lý hoạt động của tháp hấp thụ dựa trên quá trình truyền khối, trong đó dòng khí thải chứa chất ô nhiễm được cho đi ngược chiều với dòng dung môi chất lỏng hấp thụ phun từ trên xuống. Khi tiếp xúc, các chất ô nhiễm sẽ khuếch tán từ pha khí sang pha lỏng và bị giữ lại, làm cho dòng khí đi ra khỏi tháp trở nên sạch hơn.

Tháp hấp thụ được phân loại chủ yếu dựa trên cấu trúc bên trong của tháp, phổ biến nhất bao gồm tháp hấp thụ có lớp đệm, tháp mâm , và tháp phun.

Tháp hấp thụ được ứng dụng rộng rãi trong việc xử lý khí thải tại các nhà máy hóa chất, luyện kim, xi mạ, sản xuất phân bón, lò đốt... để loại bỏ các khí độc như SO₂, NOx, HCl, H₂S, và các dung môi hữu cơ bay hơi.

1. Tháp hấp thụ là gì?

Tháp hấp thụ còn được gọi là tháp rửa khí, là một hệ thống xử lý khí thải hoạt động dựa trên quá trình vật lý và hóa học, trong đó các phân tử khí ô nhiễm được "hấp thụ" bởi một chất lỏng chuyên dụng. Mục tiêu của tháp là chuyển các chất ô nhiễm từ trạng thái khí khó xử lý sang trạng thái lỏng dễ thu gom và xử lý hơn. Đây là một trong những phương pháp xử lý khí thải hiệu quả và phổ biến nhất hiện nay cho các nguồn thải công nghiệp có nồng độ ô nhiễm cao.

2. Cấu tạo chi tiết của Tháp hấp thụ

Để tối ưu hóa quá trình truyền khối, cấu tạo của tháp hấp thụ được thiết kế bao gồm vỏ tháp, lớp vật liệu đệm, hệ thống phân phối khí và lỏng, bể chứa dung môi và bơm tuần hoàn để tạo ra diện tích tiếp xúc lớn nhất có thể giữa dòng khí và dòng lỏng.

Chi tiết cấu tạo của tháp hấp thụ dưới đây: 

• Vỏ tháp: Là phần thân bên ngoài của tháp, thường có dạng hình trụ đứng, được chế tạo từ các vật liệu có khả năng chống ăn mòn hóa học như thép không gỉ, thép phủ composite hoặc nhựa PP/PVC, tùy thuộc vào tính chất của khí thải và dung môi.
• Lớp vật liệu đệm: Đây là thành phần cốt lõi trong các tháp hấp thụ có lớp đệm, có tác dụng làm tăng diện tích tiếp xúc và kéo dài thời gian lưu của khí và lỏng trong tháp. Vật liệu đệm thường là các vật thể có hình dạng đặc biệt  làm từ nhựa hoặc gốm, được đổ ngẫu nhiên hoặc sắp xếp có trật tự bên trong tháp.
• Hệ thống phân phối khí và lỏng: Bao gồm cửa vào cho dòng khí ở phía dưới tháp và một hệ thống béc phun (nozzle) hoặc mâm phân phối ở phía trên để phun đều dung môi lỏng xuống lớp đệm.

• Bể chứa dung môi và Bơm tuần hoàn: Dung môi sau khi hấp thụ chất ô nhiễm sẽ chảy xuống bể chứa ở đáy tháp. Một phần dung môi sẽ được bơm tuần hoàn trở lại đỉnh tháp để tái sử dụng, giúp tiết kiệm chi phí vận hành.

  

3. Nguyên lý hoạt động của Tháp hấp thụ

Quá trình xử lý khí thải trong tháp hấp thụ diễn ra liên tục dựa trên sự tương tác ngược chiều giữa hai pha khí và lỏng gồm 5 giai đoạn.

Chi tiết 5 giai đoạn được liệt kê dưới đây: 

• Giai đoạn 1: Dòng khí đi vào: Dòng khí thải ô nhiễm được quạt hút đẩy vào phía dưới của tháp và di chuyển đi lên, xuyên qua lớp vật liệu đệm.
• Giai đoạn 2: Dòng lỏng đi xuống: Cùng lúc đó, dung môi hấp thụ được bơm từ bể chứa lên đỉnh tháp và được phun đều xuống lớp vật liệu đệm qua hệ thống béc phun. Dung môi sẽ chảy tràn trên bề mặt của các vật liệu đệm, tạo thành một lớp màng lỏng mỏng. 
• Giai đoạn 3: Quá trình hấp thụ: Khi dòng khí đi lên tiếp xúc với lớp màng lỏng, các phân tử chất ô nhiễm do có ái lực với dung môi sẽ khuếch tán từ pha khí sang pha lỏng và bị giữ lại. Quá trình này có thể là hấp thụ vật lý hòa tan đơn thuần hoặc hấp thụ hóa học có phản ứng hóa học xảy ra giữa chất ô nhiễm và dung môi. 
• Giai đoạn 4: Khí sạch thoát ra: Dòng khí sau khi đi qua lớp đệm đã được loại bỏ phần lớn chất ô nhiễm sẽ trở nên sạch hơn và thoát ra ngoài qua đỉnh tháp.

• Giai đoạn 5: Tuần hoàn dung môi: Dung dịch lỏng sau khi hấp thụ chất ô nhiễm sẽ chảy xuống bể chứa. Tại đây, một phần dung dịch sẽ được xả bỏ để xử lý, và một phần được bơm tuần hoàn trở lại tháp.

  

4. Phân loại các loại Tháp hấp thụ phổ biến

Tùy thuộc vào yêu cầu xử lý và đặc tính của dòng khí thải, người ta sử dụng các loại tháp hấp thụ có cấu trúc khác nhau. Các cấu trúc phổ biến gồm tháp đệm, tháp mâm và tháp phun, mỗi loại được thiết kế để tối ưu hiệu suất hấp thụ theo từng điều kiện vận hành cụ thể như lưu lượng, nhiệt độ và thành phần khí.

Liệt kê dưới đây sẽ đi sâu vào phân loại Tháp: 

• Tháp hấp thụ có lớp đệm: Đây là loại phổ biến nhất, sử dụng vật liệu đệm để tăng diện tích tiếp xúc. Loại tháp này có hiệu quả xử lý cao, cấu tạo đơn giản, nhưng có thể bị tắc nghẽn nếu dòng khí chứa nhiều bụi rắn.
• Tháp mâm : Bên trong tháp có các đĩa hay mâm được xếp theo từng tầng. Khí đi từ dưới lên sẽ sủi bọt qua lớp chất lỏng trên mỗi mâm, tạo ra sự tiếp xúc mạnh mẽ. Loại tháp này phù hợp với các dòng khí có lưu lượng lớn và ít bị tắc nghẽn hơn tháp đệm.

• Tháp phun : Đây là loại tháp có cấu trúc đơn giản nhất, không có lớp đệm hay mâm, dung môi được phun trực tiếp vào dòng khí dưới dạng sương mù. Hiệu quả của tháp phun thường thấp hơn nhưng chi phí đầu tư và vận hành cũng thấp nhất, phù hợp để xử lý các khí dễ hòa tan.

  Theo kỹ sư công nghệ môi trường Lê Minh Đức: "Việc lựa chọn loại tháp nào phụ thuộc vào bài toán kinh tế và kỹ thuật. Với các khí độc như Amoniac (NH₃) rất dễ tan trong nước, một tháp phun đơn giản có thể đã đủ hiệu quả. Nhưng để xử lý khí SO₂ hay NOx với nồng độ cao, việc sử dụng tháp đệm hoặc tháp mâm với dung môi là dung dịch kiềm (như NaOH) sẽ cho hiệu quả xử lý triệt để hơn."

  

5. Ứng dụng của Tháp hấp thụ

Tháp hấp thụ là một giải pháp không thể thiếu trong hệ thống xử lý khí thải của nhiều ngành công nghiệp nặng. Nó hoạt động dựa trên nguyên lý tiếp xúc pha giữa chất hấp thụ và khí ô nhiễm để loại bỏ các thành phần độc hại, góp phần bảo vệ môi trường và tuân thủ các quy chuẩn khí thải ngày càng nghiêm ngặt.

Dưới đây là ứng dụng của Tháp hấp thụ: 

• Trong nhà máy hóa chất, phân bón: Xử lý hơi axit (HCl, H₂SO₄), khí Amoniac (NH₃), Clo...
• Trong các lò hơi, lò đốt công nghiệp: Xử lý khí SO₂, NOx sinh ra từ quá trình đốt cháy nhiên liệu hóa thạch.
  • Trải nghiệm người dùng: Ông Hùng, Trưởng phòng An toàn - Môi trường của một nhà máy thép, cho biết: "Hệ thống tháp hấp thụ xử lý khí SO₂ của chúng tôi hoạt động rất ổn định. Kết quả quan trắc khí thải đầu ra luôn đạt QCVN 19:2009/BTNMT, giúp nhà máy tự tin vận hành mà không lo ngại các vấn đề pháp lý về môi trường."
• Trong các xưởng xi mạ, luyện kim: Xử lý hơi axit, kiềm và các khí độc hại phát sinh trong quá trình mạ điện, tẩy rửa bề mặt kim loại.