THIẾT BỊ PHẢN ỨNG
trong công nghiệp hoá dầu.
Ngƣời soạn :
PGS,TS Trần Công Khanh.
Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội.
3/7/2013
1
I-GIỚI THIỆU VỀ TBPƯ :
I.1-Giới thiệu:
•
•
-TBPƢ- 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:
Ri = dNi / Vdt .
(1.1)
Trong đó: Ni-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 Ci = Ni / V, do đó pt (1.1) thành:
Ri = dCi / dt .
(1.2)
3/7/2013
2
•
-Độ chuyển hoá của chất i:
Xi = (C0 - C1) / C0 = 1 - C1/C0 .
•
(1.3)
Trong đó : C0- nồng độ chất phản ứng i đi vào ( hay nồng độ ban
đầu)
C1- nồng độ chất phản ứng i đi ra ( hay nồng độ cuối )
•
-Độ chọn lọc đối với sản phẩm i:
Si = Ci / Cj
•
j = 1, n
(1.4)
Trong đó: Ci -nồng độ của sản phẩm i trong hỗn hợp phản ứng .
ứng
Cj -tổng nồng độ các sản phẩm trong hỗn hợp phản
3/7/2013
3
VỊ TRÍ HỆ THỐNG TBPƢ TRONG SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ
Trong sơ đồ công nghệ TBPƢ nằm ở vị trí nhƣ sau :
Ng.liệu 1
Ng.liệu 2
Hệ thống
chuẩn bị
hỗn hợp
phản ứng
THIẾT BỊ
PHẢN
ỨNG
Hệ thống tách
và tinh chế
sản phẩm
Sản phẩm
Nguyên liệu chưa chuyển hoá
H.1.1- Lƣu 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 lƣợng lớn
các thiết bị thực hiện các quá trình chuyển khối và truyền
nhiệt nhƣ chƣng luyện, hấp thụ,hấp phụ, trích ly, đun nóng,
làm lạnh, ngƣng tụ ...mà sinh viên đã làm quen trong môn
học "Quá trình và thiết bị hoá học ".
3/7/2013
4
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 800cá biệt có thể đến 1300-15000C. Đồng thời phải có
những giải pháp hợp lý cấp hay giải nhiệt phản ứng.
9000C,
*Áp suất có thể từ áp suất khí quyển ( 0,1 MPa ) đến 70
MPa.
Trong nhiều phản ứng pha khí thƣờng dùng áp suất khoảng 23 MPa để giảm thể tích TBPƢ, tăng cƣờng 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.
3/7/2013
5
• 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 TBPƢ còn do từng hãng ,
trên thế giới có những hãng có công nghệ, xúc
tác và hệ thống TBPƢ riêng của mình
3/7/2013
6
ĐẶC ĐIỂM TBPƢ…
•
-Phức tạp
• Do trong TBPƢ 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
phƣơng trình Arrhénius ( phi tuyến ).
3/7/2013
7
I.3- Phân loại TBPƢ :
1/Theo chế độ làm việc :
a/Thiết bị làm việc gián đoạn
•
•
*Chỉ dùng cho pha lỏng .
*Các bƣớc của quá trình: nạp liệu, đun
nóng, tiến hành phản ứng, làm nguội và tháo
sản phẩm, đƣợc thực hiện trong một thiết bị.
• Do đó các thông số nhƣ 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 nhƣ hình 1.2.
3/7/2013
8
H.1.2-Mô hình TBPƯ làm việc gián đoạn và thay đổi
nồng độ theo thời gian
Nồng độ
chất phản ứng
CA0
Chất phản ứng
vào gián đoạn
CAt
0
Sản phẩm
tháo gián đoạn
3/7/2013
Thời gian t
9
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 thƣờng là chất lỏng, ví dụ chất A.
• Chất cho liên tục thƣờng 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 .
3/7/2013
10
*Nồng độ A và B thay đổi theo thời gian phản ứng nhƣ ở hình
1.3
Nồng độ
Chất phản ứng
Chất B vào
Liên tục
CA0
Chất A vào
Gián đoạn
Số mol NB vào
CA
t
C Bt
CB0
Thời gian t
H.1.3-Mô hình TBPƯ làm việc nửa gián đoạn và thay đổi
nồng độ chất phản ứng trong thiết bị.
3/7/2013
11
•
•
•
c/Thiết bị làm việc liên tục
*Đây là loại thiết bị thường gặp trong công
nghiệp với qui mô sản xuất lớn.
*Trạng thái dừng (steady state ): là trạng
thái đạt được của TBPƯ sau khi mở máy một
thời gian, ở trạng thái này các thông số của quá
trình không thay đổi theo thời gian t ,lúc đó sản
phẩm thu được có chất lượng ổn định. Từ khi
mở máy đến trạng thái dừng ta có giai đoạn quá
độ, thời gian quá độ phụ thuộc vào chế độ dòng
chảy trong thiết bị và độ phức tạp của hệ thống
TBPƯ.
•
3/7/2013
12
• Thời gian lưu trung bình:
• Thời gian lƣu thực của chất phản ứng trong thiết bị khác nhau
, phụ thuộc vào chế độ dòng chảy. Ta có thời gian lưu trung
bình theo định nghĩa sau:
tTB = VR / FV
Trong đó: tTB
-Thời gian lƣu trung bình.
[ h ].
VR
-Thể tích TBPƢ.
[ m3 ].
FV
-Lƣu lƣợng của dòng .
[ m3 / h ].
3/7/2013
13
2/Theo chế độ dòng chảy :
CA0
*Mô hình đẩy lý
tưởng :
CAL
L
Nồng độ
chất phản ứng
CCA0A0
CCAL
AL
0
LL
H.1.4-Mô hình ĐLT và thay đổi nồng độ
chất phản ứng trong thiết bị.
3/7/2013
Chiều dài
ống phản ứng
-Là mô hình dòng
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
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 ứng thay
đổi đột ngột ở
tại đầu vào của
thiết bị như ở
hình 1.5
3/7/2013
Nồng độ
chất phản ứng
Chất A vào
CA0
Chất A ra
CA1
CA0
A1
CCA1
Toạ độ phản ứng
H.1.5-Mô hình KLT và thay đổi nồng độ trong thiết bị
15
Mô hình khuấy lý tƣởng…
•
*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 lý tưởng thấp hơn
đẩy lý tưởng.
•
Nói một cách khác, để đảm bảo độ chuyển hoá
X nhƣ nhau thiết bị theo mô hình khuấy lý tƣởng
cần có thể tích VR lớn hơn nhiều so với mô hình
đẩy lý tƣởng, đặc biệt khi X yêu cầu cao.
3/7/2013
16
*Để đảm bảo năng suất thiết bị cao với mô
hình khuấy lý tưởng hệ thống nhiều thiết
bị khuấy nối tiếp được sử dụng như hình
1.6.
CA0
CA1
1
CA2
2
CA3
CAn
CA(n-1)
3
n
CA0
CA1
CA2
CA3
CA(n-1)
CAn
0
Toạ độ phản ứng
H.1.6-Mô hình hệ thống n thiết bị KLT nối tiếp và thay đổi
nồng độ chất phản ứng theo từng thiết bị
3/7/2013
17
• *Ở hình 1.6 nồng độ chất phản ứng thay đổi từng
bậc từ đầu vào đến đầu ra của hệ thống, khi n đủ
lớn (giới hạn khi n ) 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 thƣờng 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
3/7/2013
18
3/Theo trạng tháí pha:
•
*Hệ đồng thể: Cần đƣợc khuấy trộn để đồng đều về nồng độ
các cấu tử và nhiệt độ trong thiết bị phản ứng.
•
*Hệ dị thể: Đối với hệ này cần chú ý tạo bề mặt tiếp xúc pha
lớn để tăng cƣờng vận tốc phản ứng.
-Hệ dị thể lỏng - lỏng: Cần đƣợc khuấy trộn tốt , tạo nhũ tƣơng
có bề mặt tiếp xúc lớn.
-Hệ dị thể khí - lỏng: Để đảm bảo bề mặt tiếp xúc pha của hệ
này cần khuấy trộn hoặc sủi bọt hoặc dùng đệm rắn có bề mặt
riêng lớn.
-Hệ dị thể khí - rắn và lỏng - rắn: Bề mặt tiếp xúc pha là bề mặt
của chất rắn , do vậy chất rắn ( là xúc tác ) thƣờng là vật liệu
xốp có bề mặt riêng lớn hoặc có độ phân tán cao.
•
Trong công nghiệp cũng hay gặp hệ nhiều pha: khí - lỏng - rắn,
lỏng - lỏng - rắn
3/7/2013
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 - 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 .
3/7/2013
20
- Xem thêm -