Quá trình hấp thụ diễn ra như thế nào?

Quá trình hấp thụ được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp hóa chất để thu hồi các cấu tử có giá trị, làm sạch khí thải hoặc tách hỗn hợp khí thành các cấu tử riêng biệt. Tuy nhiên, hấp thụ không trực tiếp biến đổi một cấu tử thành cấu tử khác hoặc tạo ra sản phẩm cuối cùng. Các quá trình biến đổi hóa học hoặc tạo sản phẩm thường liên quan đến các phản ứng hóa học, không phải chỉ là sự hấp thụ vật lý.

Để giải bài toán này, ta cần xác định lưu lượng dòng khí trơ (không chứa benzen) và lượng benzen được hấp thụ. Sau đó, sử dụng phương trình cân bằng để tìm lưu lượng dung môi tối thiểu.

1. Tính lưu lượng khí trơ (G):
- Lưu lượng hỗn hợp khí vào: 4500 m³/h
- Phần trăm benzen: 4%
- Phần trăm khí trơ: 96%
- Lưu lượng khí trơ (V1) = 4500 * 0.96 = 4320 m³/h

- Chuyển đổi lưu lượng khí trơ từ m³/h sang kmol/h sử dụng phương trình trạng thái khí lý tưởng: PV = nRT
- P = 760 mmHg = 1 atm
- V = 4320 m³/h = 4320000 lít/h
- T = 30°C = 303 K
- R = 0.0821 L.atm/mol.K
- n = PV/RT = (1 * 4320000) / (0.0821 * 303) = 173.6 kmol/h
Vậy, G = 173.6 kmol/h

2. Tính nồng độ mol của benzen ở đầu vào (Y1) và đầu ra (Y2):
- Nồng độ benzen đầu vào: 4% => y1 = 0.04 => Y1 = y1/(1-y1) = 0.04/(1-0.04) = 0.04167 kmol benzen/kmol khí trơ
- Lượng benzen hấp thụ: 85% => Lượng benzen còn lại = 15% => y2 = 0.04*0.15=0.006 => Y2= 0.006/(1-0.006)=0.006036 kmol benzen/kmol khí trơ

3. Tính nồng độ mol của benzen trong dung môi ở đầu vào (X2):
- X2 = 0.0015 kmol benzen/kmol dung môi

4. Tính nồng độ mol của benzen trong dung môi ở đầu ra (X1*):
- Sử dụng đường cân bằng Y* = 0.2X để tính X1*, với Y1 = 0.04167
- Y1 = Y1* = 0.2 * X1* => X1* = Y1/0.2 = 0.04167/0.2 = 0.20835 kmol benzen/kmol dung môi

5. Tính lượng dung môi tối thiểu (L_min):
- Sử dụng phương trình:
G(Y1 - Y2) = L_min(X1* - X2)
173.6 * (0.04167 - 0.006036) = L_min * (0.20835 - 0.0015)
173.6 * 0.035634 = L_min * 0.20685
6.188 = 0.20685L_min
L_min = 6.188/0.20685 =29.91 kmol/h
Kết quả gần đúng nhất là 29.95 kmol/h

Khí trơ là các khí không bị hấp thụ (không phản ứng) trong quá trình hấp thụ CO2 bằng nước. Ban đầu, hỗn hợp khí có 4% CO2, vậy khí trơ chiếm 96%. Sau khi hấp thụ, nồng độ CO2 giảm còn 1.4%, có nghĩa là 4% CO2 ban đầu đã bị hấp thụ một phần, còn lại 1.4%. Do đó, lượng khí trơ không thay đổi và vẫn chiếm 96%. Lượng khí CO2 bị hấp thụ là phần giảm đi từ 4% xuống 1.4%. Tuy nhiên, câu hỏi yêu cầu phần trăm ban đầu của khí trơ và khí hấp thụ (CO2). Vì vậy, đáp án đúng là khí trơ chiếm 96% và khí CO2 ban đầu (khí hấp thụ) chiếm 4%.

Để xác định lượng hỗn hợp khí (Ghh), ta sử dụng phương trình trạng thái khí lý tưởng: PV = nRT, trong đó:
- P là áp suất (800 mmHg, cần chuyển đổi sang atm)
- V là thể tích (820 m3/h)
- n là số mol khí (kmol/h, chính là Ghh cần tìm)
- R là hằng số khí lý tưởng (0.0821 L.atm/mol.K)
- T là nhiệt độ (27°C, cần chuyển đổi sang Kelvin)

Đầu tiên, chuyển đổi đơn vị:
- P = 800 mmHg = 800/760 atm ≈ 1.053 atm
- T = 27°C = 27 + 273.15 = 300.15 K
- V = 820 m3/h = 820000 L/h

Thay vào phương trình PV = nRT, ta có:
1. 053 * 820000 = n * 0.0821 * 300.15
n = (1.053 * 820000) / (0.0821 * 300.15) ≈ 35087.4 mol/h

Chuyển đổi sang kmol/h:
n ≈ 35087.4 / 1000 ≈ 35.1 kmol/h

Vậy, lượng hỗn hợp khí Ghh ≈ 35.1 kmol/h

Để tính lượng vôi tôi (Ca(OH)₂) cần dùng, ta cần viết phương trình phản ứng giữa SO₂ và Ca(OH)₂:

SO₂ + Ca(OH)₂ → CaSO₃ + H₂O

1 mol SO₂ phản ứng với 1 mol Ca(OH)₂.

Đầu tiên, tính số mol của SO₂:

Số mol SO₂ = V / 22.4 = 17.5 / 22.4 ≈ 0.78125 mol

Vì tỉ lệ phản ứng là 1:1, số mol Ca(OH)₂ cần dùng cũng là 0.78125 mol.

Khối lượng mol của Ca(OH)₂ là: 40 (Ca) + 2*(16 + 1) (OH) = 40 + 2*17 = 40 + 34 = 74 g/mol

Vậy, khối lượng Ca(OH)₂ cần dùng là:

m = n * M = 0.78125 * 74 ≈ 57.8125 g

Tuy nhiên, các đáp án không có giá trị này. Xem xét phản ứng tạo Ca(HSO3)2
2SO2 + Ca(OH)2 -> Ca(HSO3)2
Số mol Ca(OH)2 = 0.78125/2 = 0.390625
Khối lượng Ca(OH)2 = 0.390625*74 = 28.90625

Có vẻ như không có đáp án nào đúng. Tuy nhiên, đề bài có thể đang yêu cầu tính theo phản ứng tạo CaSO3, và các đáp án đưa ra có thể là kết quả của một sai sót nào đó trong quá trình tính toán hoặc làm tròn số. Trong trường hợp này, ta sẽ chọn đáp án gần nhất với kết quả tính được là 57.8125g. Khoảng cách từ 57.8125 đến các đáp án lần lượt là: |57.8125-43.74| = 14.0725, |57.8125-50.62| = 7.1925, |57.8125-48.16| = 9.6525, |57.8125-45.56|= 12.2525. Vậy 50.62g là gần nhất.

Tuy nhiên, có vẻ như không có đáp án nào chính xác hoàn toàn so với kết quả tính toán dựa trên phản ứng thông thường.
Xét phản ứng SO2 + Ca(OH)2 -> CaSO3 + H2O
=> nCa(OH)2 = nSO2 = 17.5/22.4 = 0.78125 mol
=> mCa(OH)2 = 0.78125 * 74 = 57.8125 g
Nếu phản ứng tạo Ca(HSO3)2:
2SO2 + Ca(OH)2 -> Ca(HSO3)2
nCa(OH)2 = 1/2 nSO2 = 1/2 * 0.78125 = 0.390625 mol
mCa(OH)2 = 0.390625 * 74 = 28.90625 g

Trong các đáp án, không có đáp án nào phù hợp. Tuy nhiên, đáp án gần đúng nhất là 50.62 nếu có sai sót trong quá trình làm tròn.
Nhưng theo cách giải thông thường thì không có đáp án đúng.