CHƯƠNG I – CÁC LOẠI THIẾT BỊ PHẢN ỨNG TRONG CÔNG NGHIỆP HÓA HỌC 1.1 Các phương thức tiến hành trình phản ứng 1.1.1 Thiết bị làm việc gián đoạn Trong thiết bị làm việc gián đoạn, ban đầu nạp vào thiết bị phần cần thiết: chất phản ứng, dung môi, xúc tác,… Chúng trộn đều, khối phản ứng lại thiết bị thời gian định sau tháo khỏi thiết bị Thiết bị làm việc theo mẻ Trong trình tiến hành phản ứng thiết bị này, nồng độ tất cấu tử, áp suất chung, nhiệt độ,… thay đổi liên tục Thiết bị làm việc gián đoạn sử dụng công nghiệp hóa học khi: -Chỉ sản xuất lượng sản phẩm không nhiều, dược phẩm, chất màu,… -Cần phải sản xuất nhiều loại sản phẩm khác hệ thống thiết bị (chẳng hạn sản xuất sơn, chất màu…theo nhiều phương án khác nhau) -Khi có khó khăn lớn vận chuyển cấu tử phản ứng: chất rắn dính bết vào nhau, loại nhớt bùn, làm tắc hay tịt đường ống dẫn, bơm vận chuyển,… Nhược điểm thiết bị làm việc gián đoạn là: -Tốn thời gian nạp nguyên liệu, tháo sản phẩm, đun nóng, làm nguội hỗn hợp phản ứng -Tiêu hao lượng lớn -Tốn nhân công để quản lý trình Các thiết bị phản ứng làm việc gián đoạn thường loại thùng, nồi có cánh khuấy, thực tế mở rộng thiết bị phòng thí nghiệm Các thiết bị phản ứng kiểu gián đoạn thích hợp với chất phản ứng rắn lỏng, với chất khí, thể tích chúng lớn, chế biến trình, thiết bị làm việc liên tục 1.1.2 Thiết bị làm việc liên tục Tại thiết bị làm việc liên tục, chất phản ứng phụ liệu: dung môi, khí, chất mang… cấp liên tục vào không gian phản ứng , hỗn hợp sản phẩm, chất phản ứng dư chưa chuyển hóa, dung môi,… tháo liên tục khỏi thiết bị Thiết bị làm việc với điều kiện đầu vào (lưu lượng chất phản ứng cung cấp, nồng độ ban đầu, nhiệt độ hỗn hợp phản ứng,…), nhiệt lượng trao đổi …không thay đổi Thiết bị làm việc trạng thái ổn định Các thiết bị làm việc liên tục có ưu điểm: -Chất lượng sản phẩm ổn định -Tiết kiệm thể tích thiết bị -Tiết kiệm thời gian nạp liệu tháo sản phẩm -Tiết kiệm lao động đặc biệt đảm bảo tốt vệ sinh môi trường -Có khả khí hóa, tự động hóa Tuy nhiên, có số nhược điểm sau: -Hệ thống thiết bị không linh động, thông số công nghệ điều chỉnh miền hẹp -Đầu tư lớn cho hệ thống thiết bị phụ: hệ thống thiết bị nạp liệu, vận chuyển vật liệu, thiết bị đo lường, điều khiển -Đòi hỏi độ ổn định cao nguyên liệu, thành phần hóa học đặc trưng vật lý -Thường xuyên tiêu hao lượng điện nhau, bất lợi cho việc cung cấp điện cho hệ thống cao điểm Với ưu nhược điểm trên, thiết bị làm việc liên tục thích hợp với sản xuất suất lớn Thiết bị thường có dạng ống dạng nồi có cánh khuấy Những dạng thiết bị dùng cho trình phản ứng đồng thể trình phản ứng giả đồng thể, dị thể 1.1.3 Thiết bị làm việc bán liên tục Trong nhiều trình chuyển hóa hóa học, người ta dùng thiết bị phản ứng bán liên tục, mật độ pha tham gia phản ứng chênh lệch Khi đó, “pha nặng” không liên tục, “pha nhẹ” liên tục cấp vào lấy khỏi thiết bị Các thiết bị kiểu sử dụng cần phải lấy sản phẩm nhanh khỏi vùng phản ứng để tránh phản ứng phụ không mong muốn, phải cấp vào vùng phản ứng hóa chất hoạt động có thời gian “sống” đủ nhỏ (monome chất khởi đầu phản ứng trùng hợp) Các thiết bị làm việc bán liên tục thiết bị không đạt trạng thái ổn định suốt trình phản ứng Về phương diện thiết bị tương tự thiết bị gián đoạn: nồi có thiết bị khuấy, thùng phản ứng kiểu autoklave,… 1.2 Phân bố nồng độ chất phản ứng thiết bị phản ứng đồng thể Ở trình gián đoạn, nồng độ ban đầu chất phản ứng ấn định suốt thời gian phản ứng thay đổi liên tục theo quy luật thời gian tương ứng với phản ứng hóa học cho, tương ứng với độ chuyển hóa tăng lên Ở trình bán liên tục, có cấu tử đưa vào (hoặc lấy khỏi) vùng phản ứng cách liên tục ư, nên có khả hình thành nên quan hệ tối ưu nồng độ cấu tử Ở trình liên tục, ấn định nồng độ cấu tử thiết bị thông qua dòng vào, độ chuyển hóa qua mức độ khuấy trộn thiết bị 1.2.1 Các thiết bị phản ứng sở Trên sở phương thức làm việc gián đoạn/liên tục mức độ khuấy trộn, chia mô hình lý tưởng cận việc tiến hành phản ứng đồng thể -Quá trình khuấy lý tưởng, làm việc gián đoạn -Quá trình khuấy lý tưởng, làm việc liên tục -Quá trình đẩy lý tưởng, làm việc liên tục không khuấy trộn khối phản ứng Hình 1.1 Phân bố nồng độ loại thiết bị phản ứng bản: 1) Khuấy lý tưởng gián đoạn 2a) Liên tục, đẩy lý tưởng 2b) Liên tục, khuấy lý tưởng *Thiết bị khuấy lý tưởng, làm việc gián đoạn Nhờ khuấy trộn mà nồng độ cấu tử, nhiệt độ,… điểm không gian phản ứng Nồng độ cấu tử tính chất vật lý khối phản ứng thay đổi liên tục theo thời gian, tương ứng với độ chuyển hóa Tiến trình phản ứng xác định qua vận tốc phản ứng trình đẳng nhiệt, xác định vận tốc phản ứng qua độ dốc đường cong nồng độ dCA/dt nồng độ khác hình 1.1.1) *Thiết bị đẩy lý tưởng Quá trình thực thiết bị kiểu ống với chiều dài lớn so với đường kính Hỗn hợp đầu vào liên tục đầu khối phản ứng đầu Trong thiết bị đẩy lý tưởng, trình khuấy trộn theo chiều trục, nên tiết diện ngang ống, thành phần khối phản ứng không đổi Nhưng thành phần khối phản ứng (nồng độ cấu tử) thay đổi liên tục theo chiều dài thiết bị, tương ứng với độ chuyển hóa Do tiến trình phản ứng hoàn toàn ấn định thông qua vận tốc phản ứng Khi trình ổn định, thành phần khối phản ứng điểm không phụ thuộc vào thời gian *Thiết bị khuấy lý tưởng, làm việc liên tục Khối phản ứng khuấy trộn mãnh liệt Dòng vào trộn lẫn hoàn toàn với khối phản ứng thiết bị Dòng khỏi thiết bị có thành phần giống hệt thành phần khối phản ứng thiết bị Trong thiết bị khuấy lý tưởng làm việc liên tục, ổn định, nồng độ chất, nhiệt độ đặc trưng vật lý khối phản ứng không thay đổi theo thời gian không gian Nghĩa là, đây, sản phẩm luôn khắp nơi không gian phản ứng hình thành điều kiện phản ứng 1.2.2 Hệ thống thiết bị phản ứng phức hợp Bên cạnh việc tiến hành trình hóa học thiết bị, hay tiến hành trình hệ thống ghép nối tiếp nhiều thiết bị phản ứng: dãy thiết bị khuấy lý tưởng ghép nối tiếp hệ thiết bị phản ứng “cắt dòng” Hình 1.2 Phân bố nồng độ theo không gian dãy thiết bị ghép *Dãy thiết bị khuấy lý tưởng ghép nối tiếp (Hình 1.2.1) Phân bố nồng độ cấu tử thiết bị có đặc trưng thiết bị đẳng hướng ổn định Đối với toàn hệ thống, phân bố nồng độ cấu tử theo đường bậc thang Dãy thiết bị khuấy lý tưởng ghép nối tiếp dùng cho hệ phản ứng, mà phương diện động học phản ứng, phù hợp với thiết bị phản ứng kiểu đẩy lý tưởng, kỹ thuật phân phối dòng chảy lại khó tiến hành thiết bị kiểu ống Khi đó, dãy thiết bị khuấy lý tưởng tận dụng ưu điểm tính đẳng hướng thiết bị kiểu khuấy, mà lại không cần phải dùng thiết bị lớn để đạt độ chuyển hóa yêu cầu *Thiết bị phản ứng kiểu cắt dòng (Hình 1.2.2a, 2b) Là thiết bị làm việc liên tục, dòng phụ liệu nạp thêm vào tháo “cắt” trực giao với dòng chất phản ứng Theo cách đó, đạt điều kiện định phân bố nồng độ cấu tử bậc, khu vực hệ thống thiết bị phản ứng (như tăng cường cấu tử cần thiết tháo sản phẩm phụ lợi khỏi thiết bị) mà đảm bảo đặc trưng quan trọng hệ liên tục 1.2.3 Thiết bị phản ứng đồng thể, bán liên tục Xét phản ứng đồng thể xảy thiết bị, mà thời điểm bắt đầu phản ứng, phần khối phản ứng nạp vào, phần cấu tử khác đưa vào lấy liên tục thời gian phản ứng Có thể phân trường hợp: Phản ứng A + B → P, A không liên tục, B nạp liên tục Sản phẩm P lại thiết bị Phản ứng A → P + X, A thiết bị Sản phẩm P lại thiết bị Sản phẩm X lấy liên tục Phản ứng A + B → P, A có sẵn thiết bị với lượng dư lớn, B nạp liên tục Sản phẩm P tháo liên tục Hình 1.3 Phân bố nồng độ thiết bị làm việc bán liên tục, hệ đồng thể 1.3 Điều khiển dòng chất thiết bị phản ứng dị thể Ở trình dị thể, vận tốc phản ứng tính đơn vị diện tích bề mặt ranh giới pha nồng độ chất phản ứng vùng phản ứng phụ thuộc vào tương quan trình hóa học trình vận tải chất đến bề mặt Động lực trình vận tải chất chênh lệch nồng độ cấu tử dòng liên tục bề mặt phản ứng Nồng độ cấu tử phản ứng dòng liên tục lại thay đổi thông qua việc điều khiển dòng chất phản ứng vào thiết bị Phương thức cấp dòng ảnh hưởng đến khả phân bố pha phản ứng vào đến bề mặt tiếp xúc chúng 1.3.1 Trường hợp có pha chuyển động Thiết bị phản ứng làm việc bán liên tục Trong pha chuyển động thường pha khí, pha không chuyển động pha lỏng pha rắn Khi trình phản ứng pha liên tục, vận tốc dòng làm thay đổi mức độ phân tán pha, ảnh hưởng lớn đến bề mặt tiếp xúc pha mức độ vận tải đối lưu cấu tử pha Khi trình phản ứng pha linh động pha rắn, bề mặt ranh giới pha bề mặt pha rắn – pha không chuyển động định Khi thay đổi vận tốc dòng dòng vật liệu pha liên tục, tăng cường trình vận tải tăng cường vận tốc hiệu dụng trình hóa học Khi pha rắn xúc tác có hoạt tính ổn định thời gian dài (quá trình oxi hóa SO2, tổng hợp NH3…), trình phản ứng gần ổn định Nhưng xúc tác nhanh chóng hoạt tính (phản ứng cracking…) trình lại không ổn định 1.3.2 Trường hợp hai dòng chuyển động Hai dòng chất lỏng không tan vào đưa vào thiết bị theo cách: xuôi chiều ngược chiều Quá trình xuôi chiều, lối vào thiết bị phản ứng, vận tốc phản ứng lớn phản ứng gần dừng lại sau thời gian ngắn (do nồng độ cấu tử giảm nhanh) -Các phần tử chất rắn nhiệt độ phân bố đồng toàn lớp Do khuấy trộn mãnh liệt lớp mà gradient nhiệt độ theo hướng kính bỏ qua, kể lớp tầng sôi trao đổi nhiệt gián tiếp từ bên -Lớp tầng sôi thường làm việc với phần tử chất rắn nhỏ (d p = 10 800µm), nên tổn thất áp lực lớp gần không đáng kể Các phần tử lại có bề mặt riêng bên đủ lớn, cho nên, với chất rắn không xốp, lớp tầng sôi tạo vận tốc phản ứng hiệu dụng lớn đơn vị khối lượng chất rắn Mặt khác, phần tử chất rắn nhỏ nên với chất rắn xốp (xúc tác), hiệu ứng khuếch tán bên không ảnh hưởng nhiều lên trình, phần tử chất rắn đủ nhỏ bỏ qua hiệu ứng khuếch tán bên -Trong lớp tầng sôi, hệ số trao đổi nhiệt lớp bề mặt truyền nhiệt (mạng ống, truyền nhiệt, vỏ bọc lớp tầng sôi…) lớn so với lớp tĩnh, dòng chất khí Hệ số truyền nhiệt ban đầu tăng lên mạnh theo vận tốc dòng, đạt cực đại sau lại giảm theo tính không ổn định lớp tầng sôi -Các thiết bị phản ứng có lớp tầng sôi có khả vận tải vật liệu rời (chất phản ứng hay xúc tác) làm cho phần tử chất rắn cung cấp, chuyển hóa vận chuyển cách liên tục -Nhược điểm lớp tầng sôi: phân bố không đồng phần tử rắn môi trường chất khí khuấy trộn, phân tán theo chiều, hình thành “bong bóng” tạo nên tượng “tuột” phân bố thời gian lưu không đồng phần tử chất rắn Sự khuấy trộn, chuyển động phần tử rắn gây mài mòn thân chúng, mài mòn thiết bị Và việc thực tiễn hóa trình tầng sôi vào công nghiệp không đơn giản 2.2.3 Mô hình hóa toán học thiết bị phản ứng có tầng lớp sôi Để mô tả trình làm việc thiết bị phản ứng có tầng lớp sôi có nhiều tài liệu chuyên khảo giới Tựu trung chia làm hai loại mô hình, mô hình ‘‘hai pha đơn giản’’ mô hình ‘‘bong bóng’’ Mô hình ‘‘bong bóng’’ KUNII LEVENSPIEL phát triển, xem lớp tầng sôi gồm pha ‘‘bong bóng’’ với ‘‘bong bóng’’ có kích thước giống pha huyền phù phần tử rắn phân bố bao quanh ‘‘bong bóng’’ Như vậy, trình hóa học pha khí phần tử chất rắn (có thể chất xúc tác hay chất phản ứng) xảy được, chất khí phản ứng từ ‘‘bong bóng’’ phải vận chuyển vào pha huyền phù Cho nên để vận dụng mô hình ‘‘bong bóng’’ phải chấp nhận giả thiết lớp tầng sôi, bong bóng chuyển động lên độc lập với nhau, không ảnh hưởng lên Thật có chuyển đổi qua lại cá ‘‘bong bóng’’, tạo nên kết hợp thành bong bóng lớn Do đó, qía trình trao đổi khí pha ‘‘bong bóng’’ pha huyền phù Đây hạn chế mô hình KUNII – LEVENSPIEL mô hình ‘‘pha bong bóng’’ khác Loại mô hình lớp tầng sôi thứ mô hình ‘‘hai pha đơn giản’’ Theo mô hình này, lớp tầng sôi thay hai thiết bị phản ứng pha song song với nhau, chúng xảy trình trao đổi chất thông quan dòng chéo (hình 6.12) Mô hình MAY, van DEEMTER sau BOECK EMIG phát triển Hình 2.8 Mô hình hai pha lớp tầng sôi Với kQ 0 : dòng khí từ pha huyền phù vào pha bong bóng Ta tiếp cận với mô hình với nhũng giả thiết sau: Trong pha bong bóng pha huyền phù hiên tượng khuếch tán ngược Pha huyền phù luôn chuyển động với vận tốc dòng tương ứng vận tốc tầng sôi WL Nếu trình phản ứng hóa học dẫn đến hiệu ứng thay đổi thể tích, vận t ốc dòng W thay đổi (tính tiết diện ngang thiết bị) Vói giả thiết trên, thay đổi vận tốc dòng khí hiệu ứng thể tích (W – W L) hàm chiều cao lớp tầng sôi Do tổn thất áp lực dọc theo tầng sôi làm tăng vận tốc khí tăng chiều cao lưới phân phối khí Từ cho thấy phụ thuộc việc tăng vận tốc dòng theo chiều cao lớp ( hiệu ứng có tác dụng chiều cao tầng sôi đủ lớn Với thiết bị tầng sôi phòng thí nghiệm, không chứng tỏ hiệu ứng này) Với bề mặt trao đổi chất riêng a= a(h) m 2/m3 độ rỗng ‘‘bong bóng’’ lấy trị số chỗ Độ rỗng pha bong bóng định nghĩa thể tích tổng cộn bong bóng so với thể tích lớp tầng sôi, nghĩa Phản ứng xảy chủ yếu pha huyền phù Mô hình hai pha để thiết lập cân cho cấu tử A i phân tố thể tích dV=Ai.dh lớp tầng sôi trình bày hình 2.8 -At diện tích tiết diện ngang thiết bị phản ứng (lớp tầng sôi) -Ci,B Ci,S nồng độ cấu tử Ai pha bong bóng pha huyền phù, W vận tốc dòng WL vận tốc điểm tạo tầng sôi, (cả đại lượng vận tốc này, tính tiết diện At thiết bị rỗng) - : dòng trao đổi sở chênh lệch nồng độ Ci,S - Ci,B -KG : hệ số trao đổi chất -: dòng trao đổi pha huyền phù pha bong bóng phản ứng thay đổi thể tích Dưới phương trình cân chop bong bóng pha huyền phù cho trường hợp dong khí từ pha huyền phù vào pha bong bóng (kQ>0) Với pha bong bóng có : (Dòng chất Ai đưa vào) – (Dòng chất Ai ra) = (dòng chất A i vào thông qua trao đỏi chất pha bong bóng pha huyền phù) Như sở hình 2.8, ta có phương trình cân chất cho pha bong bóng là: Trong đó: a bề mặt trao đổi chất riêng, [m2/m3] Với pha huyền phù có : (Dòng chất Ai đưa vào) – (Dòng chất Ai ra) = (Dòng chất Ai vào thông qua trao đổi chất pha bong bóng pha huyền phù) + (lượng chất A i sinh hay đơn vị thời gian phản ứng hóa học) Từ ký hiệu có hình 2.8 ta có phương trình câm chất cho pha huyền phù : Trong đó: vận tốc hiệu dụng phản ứng thứ j tính đơn vị khối lượng chất rắn (chất xúc tác) Với khối lượng xúc tác ms, phân tố thể tích, ta có : Tổn thất áp lực dọc theo chiều cao lớp : Dòng chất tổng thể biến thiên phân tố thể tích dV phản ứng hóa học : mô tả qua định luật khí lý tưởng : : Với cho ta phụ thuộc chiều cao vận tốc dòng (tính theo tiết diện A t ống rỗng) Trên sở giả thiết 2, theo pha huyền phù vận chuyển với vận tốc WL, với phản ứng tăng thể tích, phải có dòng thể tích từ pha huyền phù vào pha bong bóng; Ngược lại, với phản ứng giảm thể tích, dòng thể tích ơhair có hướng ngược lại nghĩa từ pha bong bóng vào pha huyền phù Trong phân tố thể tích thiết bị phản ứng, dòng thể tích là: Từ cân chất pha huyền phù phân tố thể tích, ta có: Hệ số chuyển khối kQ là: mô tả thông qua định luật khí lý tưởng Trong đó: , theo giả thiết Với ta có: Từ phương trình đưa trên, thấy công việc mô hình hóa toán học thiết bị phản ứng xúc tác tầng sôi phức tạp Đê mô tả cấu trúc dòng thiết bị, cần phải quan tâm đến độ lớn bong bóng, dòng khí tạo nên bong bóng, vận tốc vận chuyển bong bóng, bề mặt trao đổi chất riêng vị trí, hệ số chuyển khối kG CHƯƠNG III – TÍNH TOÁN CÁC THIẾT BỊ PHẢN ỨNG ĐỂ TIẾN HÀNH PHẢN ỨNG GIỮA MỘT PHA LIÊN TỤC VÀ CHẤT RẮN 3.1 Khái niệm chung Các phản ứng pha liên tục pha rắn phổ biến thực tế Các phản ứng tiến hành theo phương thức sau: A(trong pha liên tục) + B(rắn) → Sản phẩm pha liên tục → Sản phẩm rắn → Sản phẩm rắn sản phẩm pha liên tục Theo đó, cấu trúc, độ lớn bề mặt phản ứng thành phần pha rắn thay đổi liên tục theo tiến trình phản ứng, nên vận tốc hiệu dụng phản ứng thay đổi theo Việc tính toán thiết bị phức tạp, thường chọn mô hình toán học đơn giản mà mô tả nét chính, trình Phổ biến mô hình “nhân chất rắn có lớp vỏ bọc” Mô hình sử dụng tốt độ xốp phần chất rắn chưa tham gia phản ứng đủ nhỏ phản ứng xảy miền tiếp giáp phần nhân chất rắn không xốp lớp vỏ sản phẩm phản ứng đủ xốp Mô hình dùng tốt cho trường hợp phản ứng xảy nhanh vùng phản ứng giới hạn lớp mỏng vùng tiếp giáp nhân chất rắn chưa phản ứng lớp vỏ hình thành sản phẩm phản ứng Xét hệ phản ứng: Akhí + Brắn → Crắn + Dkhí Giả thiết: Ban đầu có lớp chất rắn bên tham gia phản ứng vùng phản ứng dịch dần phía tâm phẩn tử chất rắn, hình thành lớp chất rắn trơ Chính lớp chất rắn sản phẩm rắn phản ứng phần nhân chất rắn chưa phản ứng thu nhỏ dần Hình 3.1 Mô tả phân bố nồng độ phần tử hình cầu theo mô hình “nhân chất rắn có lớp vỏ bọc” Quá trình chuyển hóa hóa học theo mô hình “nhân chất rắn có lớp vỏ bọc”: -Khuếch tán chất khí A qua lớp biên chất khí đến bề mặt chất rắn B -Khuếch tán chất khí A qua lớp vỏ trơ sản phẩm rắn C phản ứng đến bề mặt tác nhân phản ứng rắn B -Phản ứng chất khí A chất rắn B -Khuếch tán sản phẩm khí D tạo thành qua lớp sản phẩm rắn C đến bề mặt bên phần tử rắn -Vận chuyển sản phẩm khí D qua lớp biên vào dòng khí *Xét cấu tử khí A Gọi -CA,F : nồng độ chất khí A dòng liên tục -CA,S: nồng độ chất khí A mặt phần tử rắn -CA: nồng độ chất khí A nội chất rắn tạo thành -CA,K: nồng độ chất khí A bề mặt nhân chất rắn lại (cấu tử phản ứng B) -RS: bán kính phần tử rắn hình cầu bắt đầu trình phản ứng -RK: bán kính chạy bề mặt phản ứng -R: bán kính mặt lớp sản phẩm rắn tạo thành Giả thiết, suốt trình phản ứng, phần tử rắn giữ dạng cầu, bán kính tổng phần tử RS không thay đổi Chấp nhận vận tốc dịch chuyển phản ứng phía tâm phần tử dRK/dt nhỏ so với vận tốc khuếch tán khí A qua lớp sản phẩm rắn Đồng thời xem phần tử rắn đẳng nhiệt Ta có: Khuếch tán cấu tử A qua lớp biên: - = 4.(CA,F – CA,S) Khuếch tán chất khí phản ứng A qua lớp sản phẩm rắn tạo thành vị trí R=RK - = De Phản ứng hóa học xảy bề mặt phần nhân chất rắn R=RK - = Trong đó: -β: hệ số cấp khối, [m/s] -De: hệ số khuếch tán hiệu dụng chất khí A qua lớp sản phẩm rắn xốp, [m2/s] - : số vận tốc phản ứng đơn vị diện tích bề mặt phản ứng, [m/s] Với điều kiện biên: CA = CA,S R = RS CA = CA,K R = RK Ta được: CA,F = CA,K + CA,S CA,S = CA,K CA,K = → = *Xét cấu tử chất rắn B Lượng cấu tử chất rắn B chuyển hóa đơn vị thời gian bán kính RK: = == = = Trong đó: MB, , VB khối lượng mol, khối lượng riêng thể tích phần tử chất rắn B → =- *Thời gian chuyển hóa t= *Độ chuyển hóa phần tử pha rắn hàm thời gian, thành phần pha liên tục không đổi =1- =1- =1- 3.2 Tính toán thiết bị phản ứng để tiến hành phản ứng pha liên tục chất rắn Tính toán thiết bị phản ứng cho hệ phản ứng pha liên tục với phần tử rắn định trạng thái dòng chảy pha liên tục phần tử rắn thiết bị Nói chung, việc tính toán thiết bị phản ứng cho hệ không khác biệt so với tính toán thiết bị phản ứng xúc tác dị thể Điểm đặc biệt vận tốc trình chuyển hóa hóa học phụ thuộc vào thời gian lẫn trạng thái thiết bị thông thường phần tử rắn chuyển động cách liên tục từ đầu đến cuối thiết bị Đơn giản thành phần pha liên tục đồng toàn thiết bị Trường hợp thành phần pha liên tục hàm không gian phản ứng (hệ dòng chảy theo mô hình đẩy lý tưởng), việc tính toán phức tạp cấu trúc dòng pha liên tục lẫn pha phân tán xác định 3.2.1 Trường hợp thành phần pha liên tục đồng toàn không gian thiết bị phản ứng Giả thiết: A cấu tử phản ứng pha khí, điểm không gian thiết bị có nồng độ CA,F Giả thiết thỏa mãn khi: -Pha khí khuấy trộn mãnh liệt -Độ chuyển hóa cấu tử pha khí nhỏ dòng chất khí chuyển động -Thời gian lưu phần tử chất rắn phải đồng Ta có, mối liên hệ thời gian phản ứng t (chính thời gian lưu cần thiết cho phần tử pha rắn thiết bị phản ứng) độ chyển hóa cấu tử rắn U B cho phần tử rắn có bán kính RS định: t= Nếu cấu tử phản ứng rắn hỗn hợp n hợp phần kích thước khác nhau, bán kính từ RSα đến RSα + ∆RSα có khối lượng Wα , sau thời gian t, độ chuyển hóa chất rắn thuộc hợp phần phần tử U Bα Độ chuyển hóa trung bình hỗn hợp sau thời gian phản ứng t là: = 3.2.2 Trường hợp thành phần pha khí khác điểm không gian thiết bị phản ứng a) Với thiết bị có lớp chất rắn tĩnh Trong thiết bị phản ứng có lớp rắn không chuyển động, thường nồng độ cấu tử phản ứng pha liên tục thay đổi theo chiều cao (chiều dài) lớp Vận tốc phản ứng điểm dọc theo lớp lại phụ thuộc thời gian, nồng độ cấu tử A pha liên tục hàm không gian thời gian: CA,F = f(t,z) Đây trường hợp điển hình thiết bị tái sinh xúc tác (đốt lớp than bám hạt xúc tác), thiết bị trao đổi ion, thiết bị hấp phụ khí hấp phụ chất tan dung dịch chất lỏng than hoạt tính dạng hạt Xét phản ứng: Akhí + Brắn → Ckhí + Drắn Nếu dòng chuyển động pha liên tục không tồn trình khuếch tán ngược xảy đẳng nhiệt thiết bị có lớp phần tử chất rắn đứng yên Dòng pha liên tục tồn không gian tự ε lớp chất rắn Cân chất cho hệ phản ứng không thay đổi thể tích là: ε=- Trong đó: -: vận tốc dài trung bình pha khí thiết bị phản ứng rỗng = - : vận tốc hiệu dụng phản ứng hóa học đơn vị thể tích lớp phần tử chất rắn phản ứng không thuận nghịch = ε=- ⟹ Giải nghiệm toán thông qua giải hệ phương trình vi phân: Điều kiện: Thu tương quan hàm số: (Hình 3.2) Hình 3.2 Tiến trình theo thời gian không gian phản ứng bậc nhất, đẳng tích dòng liên tục chất rắn thiết bị phản ứng lớp tĩnh b)Với thiết bị có lớp chất rắn chuyển động Xét thiết bị phản ứng sơ đồ sau: Hình 3.3 Thiết bị phản ứng có lớp chất rắn chuyển động ngược chiều với dòng khí Trong đó, phần tử chất phản ứng rắn liên tục xuống nhờ trọng lực pha liên tục có thành phần thay đổi theo chiều cao thiết bị ngược chiều với dòng chất rắn Cả pha rắn pha liên tục chuyển động theo cấu trúc dòng kiểu “đẩy lý tưởng”, hay không tồn trình khuấy trộn ngược Điển hình lò cao luyện gang, lò nung vôi,… Xét phản ứng: Akhí + Brắn → Ckhí + Drắn Quá trình phản ứng tương ứng với mô hình “nhân chất rắn có lớp vỏ bọc” Sự thay đổi bán kính nhân chất rắn RK theo thời gian phản ứng: Nếu dòng chuyển động phần tử chất rắn không tồn khuấy trộn ngược thời gian lưu chúng thiết bị là: t= = Trong đó: -: độ xốp lớp phần tử rắn - : khối lượng riêng biểu kiến chất phản ứng rắn B [kg/m3] -q : tiết diện ngang thiết bị [m2] - : dòng khối lượng cấu tử B cung cấp [kg/h] -z : tọa độ không gian tính từ đầu (z=0) cuối thiết bị (z=L) → dt = dz → = → = Mặt khác: Có cân chất: V.( = Với dòng khối lượng cấu tử phản ứng rắn đầu nạp chất rắn vào thiết bị → CA,F → UB thông qua tính tích phân UB = ứng với z = Tính độ chuyển hóa cuối ứng với chiều dài L định thiết bị phản ứng, phải dùng phép thử cách cho giá trị đó, tính U B theo chiều cao z Nếu kết thu trùng khớp với giá trị chọn giá trị chọn Ngược lại, ta phải giả thiết lần nữa, lặp lại phép tính Trường hợp đòi hỏi phải đạt độ chuyển hóa cuối định từ phải tìm chiều dài vùng phản ứng tương ứng, trình tính toán không cần thiết phải thông qua phép tính thử Trường hợp cho tính được, nồng độ chất khí phản ứng pha liên tục khỏi thiết bị tính cách cho UB = [...]... có dạng như sơ đồ hình 1.7 Hình 1.7 Các loại thiết bị phản ứng công nghiệp cho phản ứng dị thể 1.5 Điều khiển nhiệt độ trong các thiết bị phản ứng Nhiệt độ có ảnh hưởng rất lớn đến phản ứng hóa học Vận tốc phản ứng thay đổi theo hàm số mũ khi nhiệt độ của phản ứng hóa học biến thiên Mặt khác, các phản ứng hóa học luôn luôn gắn liền với hiệu ứng nhiệt của chúng, cho nên để xác lập một chế độ nhiệt độ... tích xúc tác cần thiết để đạt một độ chuyển hóa U A, hay đạt độ chuyển hóa UK của một cấu tử chìa khóa bất kỳ cần được chuyển hóa trong quá trình hóa học đã cho: V0 là lưu lượng dòng khí nguyên liệu Với ms là khối lượng xúc tác cần thiết để đạt độ chuyển hóa nói trên → 2.1.2.4 Tính toán thiết bị phản ứng xúc tác lớp tĩnh đoạn nhiệt Nói chung trong thực tế công nghiệp khó lòng mà tồn tại những lớp xúc... cấu tử cũng được phản ứng hết nhờ nồng độ ban đầu rất cao ở một pha khác Điển hình là quá trình đốt quặng pyrit sản xuất hỗn hợp khí SO2 Hình 1.4 Phân bố nồng độ trong 2 dòng chất lỏng không hòa tan vào nhau trong thiết bị đẩy lý tưởng của phản ứng A (trong pha hữu cơ) + B (trong pha nước) → C (trong pha nước) 1.4 Các thiết bị phản ứng trong thực tế kỹ thuật 1.4.1 Quá trình phản ứng đồng thể Các thiết... tác) cho nên để lập cân bằng chất ta dung phương trình cân bằng chất trong hệ tọa độ trụ Từ phương trình cân bằng chất tổng quát trong hệ tọa độ trụ cho một cấu tử thứ i, ta có: Nếu như trong hệ chỉ có một phản ứng hóa học và dòng chảy chỉ theo hướng trục ), trong trạng thái ổn định ta có: Trong đó: -: là vận tốc dòng theo hướng trục trong ống rỗng, tại mọi điểm của tiết diện ống q -: là hệ số khuếch... mạnh hoặc độ nhớt của môi trường phản ứng quá lớn Do vậy, với những phản ứng giữa những chất lỏng nhớt, người ta dùng thiết bị phản ứng kiểu ống có khuấy trộn ngược (một phần khối phản ứng được tách ra tạo dòng khuấy trộn ngược) Hình 1.6 Sơ đồ thiết bị phản ứng khuấy trộn bằng dòng tuần hoàn 1.4.2 Quá trình phản ứng dị thể Các quá trình phản ứng dị thể có thể sử dụng các thiết bị có dạng như sơ đồ hình... phản ứng có thời gian tiếp xúc ngắn, xúc tác kim loại thường được dệt thành lưới của những sợi kim loại mảnh, điển hình là thiết bị oxi hóa amoniac trên xúc tác Pt-Rh Hình 2.2 Thiết bị phản ứng có lớp xúc tác với dòng khí theo hướng kính trong công nghiệp sản xuất amoniac 2.1.2 Cân bằng chất và cân bằng nhiệt Giả thiết, phản ứng trên ranh giới giữa pha khí và pha rắn trong phạm vi thiết bị phản ứng. .. bằng cách thêm vào hệ phản ứng các chất mà nhiệt hàm của nó hoặc nhiệt chuyển hóa có thể sử dụng để điều khiển nhiệt độ -Trao đổi nhiệt gián tiếp thông qua một bề mặt trao đổi nhiệt -Tuần hoàn một phần hay toàn bộ hỗn hợp phản ứng qua một thiết bị trao đổi nhiệt nằm bên ngoài thiết bị phản ứng CHƯƠNG II – THIẾT BỊ PHẢN ỨNG CHO CÁC QUÁ TRÌNH XÚC TÁC DỊ THỂ 2.1 Thiết bị phản ứng với lớp xúc tác tĩnh 2.1.1... pha khí và pha rắn trong phạm vi thiết bị phản ứng xảy ra tương tự như trong một không gian liên tục Với giả thiết trên, ta xem môi trường phản ứng là môi trường giả đồng thể và vận tốc phản ứng tính cho một đơn vị thể tích “môi trường giả đồng thể” của không gian phản ứng , ta có: = = (1-) Trong đó: - : vận tốc hiệu dụng của phản ứng tính cho một đơn vị khối lượng xúc tác - : khối lượng đổ của lớp... bị xúc tác kiểu ống chùm Loại này được dùng phổ biến trong công nghiệp (tổng hợp VC, VA,…) và hiệu ứng nhiệt càng cao, đường kính của mỗi ống xúc tác càng phải nhỏ nhằm tránh gradient nhiệt độ theo hướng bán kính của ống Gradient nhiệt độ trong lớp xúc tác làm cho xúc tác kết khối, hỏng xúc tác, tắc ống Khả năng điều chỉnh các thông số công nghệ trong thiết bị xúc tác kiểu ống chùm là không cao Ngoài... phản ứng kiểu xúc tác lớp Trong thiết bị loại này, lượng xúc tác được phân ra 2, 3 hay nhiều lớp và ở mỗi lớp xúc tác có thể tiến hành truyền nhiệt gián tiếp hay trực tiếp Trong những năm gần đây, người ta đã thiết kế và chế tạo thiết bị phản ứng có lớp xúc tác với dòng khí phản ứng theo hướng kính (hình 2.2), làm cho vận tốc dòng nhỏ hơn, thời gian tiếp xúc dài hơn Thiết bị loại này dùng trong công