1 THIẾT BỊ PHẢN ỨNG trong công nghiệp hoá dầu. • Người soạn : PGS,TS Trần Công Khanh. • Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. 5/14/12 2 I-GIỚI THIỆU VỀ TBPƯ : I.1-Giới thiệu: • -TBPƯ- hệ thống thiết bị thực hiện các phản ứng hoá học tạo ra sản phẩm của một quá trình sản xuất,do đó quyết định năng suất (do vận tốc phản ứng r ) và hiệu quả (độ chuyển hoá X và độ chọn lọc S) của sản xuất. • -Vận tốc phản ứng chuyển hoá chất i: R i = ± dN i / Vdt . ( 1 . 1 ) Trong đó: N i -Số mol của chất i, dấu cộng là tạo thành (sản phẩm phản ứng), dấu trừ là tiêu hao (chất phản ứng). V-Thể tích của hệ thống Khi thể tích không đổi ta có C i = N i / V, do đó pt (1.1) thành: R i = ±dC i / dt . ( 1 . 2 ) 5/14/12 3 • -Độ chuyển hoá của chất i: X i = (C 0 - C 1 ) / C 0 = 1 - C 1 /C 0 . ( 1 . 3 ) • Trong đó : C 0 - nồng độ chất phản ứng i đi vào ( hay nồng độ ban đầu) C 1 - nồng độ chất phản ứng i đi ra ( hay nồng độ cuối ) • -Độ chọn lọc đối với sản phẩm i: S i = C i / ∑C j j = 1, n ( 1 . 4 ) • Trong đó: Ci -nồng độ của sản phẩm i trong hỗn hợp phản ứng . ∑C j -tổng nồng độ các sản phẩm trong hỗn hợp phản ứng 5/14/12 4 VỊ TRÍ HỆ THỐNG TBPƯ TRONG SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ Trong sơ đồ công nghệ TBPƯ nằm ở vị trí như sau : H.1.1- Lưu đồ khối của công nghệ sản xuất . Trong đó hệ thống thiết bị chuẩn bị hỗn hợp phản ứng, tách và tinh chế sản phẩm có thể gồm một số lượng lớn các thiết bị thực hiện các quá trình chuyển khối và truyền nhiệt như chưng luyện, hấp thụ,hấp phụ, trích ly, đun nóng, làm lạnh, ngưng tụ mà sinh viên đã làm quen trong môn học "Quá trình và thiết bị hoá học ". 5/14/12 5 I.2-Đặc điểm : • - Đa dạng • Do điều kiện phản ứng rất khác nhau: *Nhiệt độ phản ứng có thể từ nhiệt độ phòng đến 800- 900 0 C, cá biệt có thể đến 1300-1500 0 C. Đồng thời phải có những giải pháp hợp lý cấp hay giải nhiệt phản ứng. *Áp suất có thể từ áp suất khí quyển ( 0,1 MPa ) đến 70 MPa. Trong nhiều phản ứng pha khí thường dùng áp suất khoảng 2-3 MPa để giảm thể tích TBPƯ, tăng cường vận tốc phản ứng và hệ số trao đổi nhiệt với thành thiết bị. Với mỗi áp suất cần có dạng hình học của thiết bị phù hợp : hình ống, hình cầu chịu áp suất tốt hơn hình hộp, mặt phẳng. 5/14/12 6 • Phản ứng trong thiết bị có thể tiến hành ở các trạng thái pha khác nhau: *Đồng thể: khí, lỏng *Các hệ dị thể khí-rắn, khí-lỏng, lỏng-rắn, lỏng-lỏng *Các hệ ba pha khí-lỏng-rắn, lỏng-lỏng-rắn, khí-lỏng-lỏng • Tính đa dạng của TBPƯ còn do từng hãng , trên thế giới có những hãng có công nghệ, xúc tác và hệ thống TBPƯ riêng của mình 5/14/12 7 ĐẶC ĐIỂM TBPƯ… • -Phức tạp • Do trong TBPƯ các quá trình hoá học ( phản ứng ) và vật lý ( chuyển khối: dòng chảy , khuếch tán, và các quá trình nhiệt: truyền nhiệt, toả và thu nhiệt ) xảy ra đan xen và ảnh hưởng lẫn nhau • Trong đó, các quá trình vật lý thường tuyến tính với nhiệt độ, còn các phản ứng hoá học phụ thuộc vào nhiệt độ ở dạng hàm mũ theo phương trình Arrhénius ( phi tuyến ). 5/14/12 8 I.3- Phân loại TBPƯ : 1/Theo chế độ làm việc : a/Thiết bị làm việc gián đoạn • *Chỉ dùng cho pha lỏng . • *Các bước của quá trình: nạp liệu, đun nóng, tiến hành phản ứng, làm nguội và tháo sản phẩm, được thực hiện trong một thiết bị. • Do đó các thông số như nồng độ, nhiệt độ, áp suất thay đổi theo thời gian. • Ví dụ: tiến hành phản ứng trong thiết bị loại thùng có khuấy nồng độ chất phản ứng thay đổi theo thời gian như hình 1.2. 5/14/12 9 H.1.2-Mô hình TBPƯ làm việc gián đoạn và thay đổi nồng độ theo thời gian 5/14/12 10 b/Thiết bị làm việc nửa gián đoạn: • • *Chất phản ứng: một chất cho gián đoạn, một chất cho liên tục. • Chất cho gián đoạn thường là chất lỏng, ví dụ chất A. • Chất cho liên tục thường là chất khí hay có thể là chất lỏng, ví dụ chất B. Phản ứng: A + B → C • Với mục đích luôn nghèo chất B trong hỗn hợp phản ứng tránh phản ứng phụ: B + C → D • Hay để vận tốc toả nhiệt của phản ứng phù hợp với khả năng giải nhiệt của thiết bị . 5/14/12 [...]... chế độ nhiệt tối ưu cho quá trình phản ứng -Gặp ở thiết bị loại ống , thiết bị có nhiều ngăn đoạn nhiệt và hệ thống nhiều thiết bị khuấy nối tiếp 5/14/12 21 II/ THỜI GIAN LƯU • -Thời gian lưu của chất phản ứng trong thiết bị là thời gian tiến hành phản ứng, vì vậy nó ảnh hưởng quan trọng đến độ chuyển hoá X và độ chọn lọc S • Ví dụ: ta có phản ứng nối tiếp A→B→C, trong đó B là sản phẩm chính và C... ) sự thay đổi nồng độ chất phản ứng giống như ở trường hợp đẩy lý tưởng (hình 1.4 ) • Trong thực tiễn công nghiệp số thiết bị n trong hệ thống thường từ 4 đến 10 để ngoài việc đảm bảo năng suất của hệ thống thiết bị còn để phân bố thời gian lưu đồng đều hơn, nhiệt độ có thể điều chỉnh khác nhau ở từng thiết bị và chất phản ứng thứ hai có thể cho vào từ từ theo từng thiết bị theo yêu cầu 5/14/12 18... chảy trong thiết bị chuyển động tịnh tiến theo thứ tự trước sau như chuyển động của pit-tông trong xi lanh Và do đó nồng độ chất phản ứng thay đổi từ từ, bắt đầu ở đầu vào là CA0 đến đầu ra là CAL như ở hình 1.4 5/14/12 14 *Mô hình khuấy lý tưởng :  -Là mô hình dòng chảy trong thiết bị được khuấy trộn mạnh, chất phản ứng đi vào được trộn lẫn đồng đều ngay tức khắc trong thiết bị, do đó nồng độ chất phản. .. ngay tức khắc trong thiết bị, do đó nồng độ chất phản ứng thay đổi đột ngột ở tại đầu vào của thiết bị như ở hình 1.5 5/14/12 15 Mô hình khuấy lý tưởng… • *Cũng do khuấy trộn nồng độ chất phản ứng trong khắp thiết bị đồng đều và bằng đầu ra là C1 • *Do nồng độ chất phản ứng trong thiết bị thấp (nhất là khi độ chuyển hoá X yêu cầu cao ) nên vận tốc phản ứng thấp và do đó năng suất TBPƯ theo mô hình khuấy... trong thiết bị từ t đến t+dt là E(t).dt Từ định nghĩa trên ta có:  = 1 ( 2.1 )  = tTB ( 2.2) 5/14/12 25 • -Hàm F(t): • Định nghĩa: F(t) là phần của dòng có thời gian lưu trong thiết bị nhỏ hơn t • *Từ định nghĩa này F(t) là phần của dòng đi vào thiết bị ở thời điểm t = o và đến thời điểm t đã ra khỏi thiết bị • *Phần của dòng đi vào thiết bị ở thời điểm t = 0 đến thời điểm t vẫn còn trong thiết bị. .. độ phân tán cao • Trong công nghiệp cũng hay gặp hệ nhiều pha: khí - lỏng rắn, lỏng - lỏng - rắn 5/14/12 19 4/Theo chế độ nhiệt: • *Đoạn nhiệt: •-Không có bộ phận trao đổi nhiệt -Hay sử dụng vì đơn giản, cho các phản ứng có hiệu ứng nhiệt thấp hay ít nhạy với sự thay đổi nhiệt độ •*Đẳng nhiệt: •-Thường gặp ở các thiết bị có khuấy trộn tốt - Trong tài liệu đôi khi gọi thiết bị phản ứng xúc tác khí -... bằng 0 • Và có thể có phần tử đã vào thiết bị từ lâu mới ra khỏi thiết bị nên TGL của những phần tử này bằng ∞ • Nghĩa là TGL của chất phản ứng trong mô hình KLT không đồng đều và phân bố từ 0 đến ∞ 5/14/12 29 • Theo lý thuyết xác suất ta có mệnh đề sau: xác suất của những phân tử có TGL trong thiết bị là t+dt gồm xác suất của những phần tử có TGL trong thiết bị là t và xác suất của những phần tử... giảm năng suất thiết bị ) và độ chọn lọc S (đối với các quá trình phản ứng nối tiếp) • Để đạt độ chuyển hoá như nhau so với mô hình ĐLT ở thiết bị loại này cần có thể tích lớn hơn, sự chênh lệch đó phụ thuộc vào độ chuyển hoá X yêu cầu 5/14/12 34 Hệ thống nhiều thiết bị khuấy nối tiếp liên tuc: • Mô hình hệ thống nhiều thiết bị khuấy nối tiếp khắc phục được nhược điểm trên với số thiết bị n đủ lớn (... được trộn đều khắp trong thể tích của thiết bị • Do vậy khả năng đi ra của các phần tử hiện có trong thiết bị là như nhau, không phân biệt phần tử vào trước hay vào sau Nói cách khác, xác suất xuất hiện ở cửa ra của những phần tử hiện có trong thiết bị là như nhau không phân biệt lịch sử của chúng 5/14/12 28 • Như vậy: • Có thể có phần tử vừa mới vào đã có mặt ở cửa ra và ra khỏi thiết bị nên TGL bằng... rắn dạng ống chùm có bề mặt trao đổi nhiệt lớn là thiết bị tựa đẳng nhiệt, tuy vậy ở thiết bị loại này vẫn tồn tại gradien nhiệt độ theo đường kính và hướng trục ống xúc tác 5/14/12 20 •*Tự nhiệt: •-Hay dùng khi có thể vì đơn giản và kinh tế -Phản ứng toả nhiệt đủ lớn và có khả năng trao đổi nhiệt phản ứng với nguyên liệu vào để đạt nhiệt độ mà phản ứng có thể tiến hành •*Chế độ nhiệt theo qui hoạch: . ) • Trong đó: Ci -nồng độ của sản phẩm i trong hỗn hợp phản ứng . ∑C j -tổng nồng độ các sản phẩm trong hỗn hợp phản ứng 5/14/12 4 VỊ TRÍ HỆ THỐNG TBPƯ TRONG SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ Trong sơ đồ công. Phản ứng: A + B → C • Với mục đích luôn nghèo chất B trong hỗn hợp phản ứng tránh phản ứng phụ: B + C → D • Hay để vận tốc toả nhiệt của phản ứng phù hợp với khả năng giải nhiệt của thiết bị. chảy trong thiết bị được khuấy trộn mạnh, chất phản ứng đi vào được trộn lẫn đồng đều ngay tức khắc trong thiết bị, do đó nồng độ chất phản ứng thay đổi đột ngột ở tại đầu vào của thiết