Xem mẫu
- THIẾT BỊ PHẢN ỨNG
trong công nghiệp hoá dầu.
Người soạn : PGS,TS Trần Công Khanh.
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
10/01/10
1
- 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:
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)
10/01/10
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 .
∑Cj -tổng nồng độ các sản phẩm trong hỗn hợp phản
ứng
10/01/10
3
- VỊ TRÍ HỆ THỐNG TBPƯ TRONG SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ
Trong sơ đồ công nghệ TBPƯ nằm ở vị trí như sau :
Ng.liệu 1
Hệ thống
THIẾT BỊ Hệ thống tách Sản phẩm
chuẩn bị
PHẢN và tinh chế
Ng.liệu 2 hỗn hợp
ỨNG sản phẩm
phản ứng
Nguyên liệu chưa chuyển hoá
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 ".
10/01/10
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 800-
9000C, cá biệt có thể đến 1300-15000C. 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.
10/01/10
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 TBPƯ còn do từng hãng ,
trên thế giới có những hãng có công nghệ, xúc
tác và hệ thống TBPƯ riêng của mình
10/01/10
6
- 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 ).
10/01/10
7
- 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.
10/01/10
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 Thờ i gian t
tháo gián đoạn
10/01/10 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 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 .
10/01/10
10
- *Nồng độ A và B thay đổi theo thời gian phản ứng như ở hình
1.3
Nồng độ
Chất phản ứng
Chất B vào
Liên tục
CA0
Chất A vào
Gián đoạn Số mol NB vào
C
At
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
.
10/01/10 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.
•
10/01/10
12
- • Thời gian lưu trung bình:
• Thời gian lưu 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 lưu trung bình. [ h ].
VR -Thể tích TBPƯ. [ m3 ].
FV -Lưu lượng của dòng . [ m3 / h ].
10/01/10
13
- 2/Theo chế độ dòng chảy :
*Mô hình đẩy lý
CA0 CAL
tưởng :
Là mô hình dòng chảy
L
trong thiết bị chuyển động
tịnh tiến theo thứ tự trước
Nồng độ
chất phản ứng
CA0
C A0 sau như chuyển động của
pittông trong xi lanh
Và do đó nồng độ chất
phản ứng thay đổi từ từ,
bắt đầu ở đầu vào là CA0
CAL
C AL
0 L
L Chiều dài đến đầu ra là CAL như ở
hình 1.4
ống phản ứng
H.1.4-Mô hình ĐLT và thay đổi nồng độ
chất phản ứng trong thiết bị.
10/01/10 14
- *Mô hình khuấy lý
tưởng :
Là mô hình
dòng chảy trong
thiết bị được khuấy
trộn mạnh, chất
phản ứng đi vào
Nồng độ
Chất A vào chất phản ứng
được trộn lẫn đồng
CA0 Chất A ra
CA0
CA1
đều ngay tức khắc
trong thiết bị, do
đó nồng độ chất CA1
CA1
phản ứng thay đổi
đột ngột ở tại đầu Toạ độ phản ứ ng
vào của thiết bị
H.1.5-Mô hình KLT và thay đổi nồng độ trong thiết bị
như ở hình 1.5
10/01/10 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 lý tưởng thấp hơn
đẩy lý tưởng.
• Nói một cách khác, để đảm bảo độ chuyển hoá
X như nhau thiết bị theo mô hình khuấy lý tưởng
cần có thể tích VR lớn hơn nhiều so với mô hình
đẩy lý tưởng, đặc biệt khi X yêu cầu cao.
10/01/10
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 CA2 C A3 CA (n-1) CAn
1 2 3 n
CA0
CA1
C A2
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
10/01/10 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 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
10/01/10
18
- 3/Theo trạng tháí pha:
• *Hệ đồng thể: Cần được 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 cường vận tốc phản ứng.
-Hệ dị thể lỏng - lỏng: Cần được khuấy
trộn tốt , tạo nhũ tương 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 ) thường 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
10/01/10
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 .
10/01/10
20
nguon tai.lieu . vn