Thiết bị phản ứng khuấy trộn lý tưởng

39 12 0
  • Loading ...
1/39 trang

Thông tin tài liệu

Ngày đăng: 14/04/2018, 17:47

1.2.Thiết bị phản ứng khuấy trộn lý tưởng−Thiết bị phản ứng khấy trôn lý tưởng có ba cách vận hành: vận hành liên tục, gián đoạn và bán liên tục.−Đặc trưng của loại này là quá trình khuấy trộn hoàn toàn. Do đó, hỗn hợp phản ứng đồng nhất trong tất cả các phần của thiết bị và giống với dòng ra (sản phẩm). Điều này có nghĩa là phân tố thể tích trong các phương trình cân bằng có thể được lấy là thể tích V của toàn thiết bị phản ứng. Ngoài ra thành phần và nhiệt độ tại đó phản ứng xảy ra bằng với thành phần và nhiệt độ của dòng ra.−Thiết bị phàn ứng khuấy trộn liên tục: −Tính chất của các dòng nhập liệu và sản phẩm không thay đổi theo thời gian. Như vậy hai số hạng đầu của phương trình cân bằng vật chất là không đổi. Vì hỗn hợp phản ứng trong bình có nhiệt độ không đổi và thành phần đồng nhất, vận tốc phản ứng không đổi được xác định tại nhiệt độ và thành phần của dòng sản phẩm. Ngoài ra vì điều kiện hoạt động liên tục ổn định nên không có tích tụ, nên số hạng thứ tư bằng không.Vậy phương trình cân bằng vật chất có dạng:FAo .(1 – XAo). Δt – FAo .(1 – XAf). Δt – (rA)f .V. Δt = 0Hay: (1)Với: X Ao, X Af: độ chuyển hóa trước khi và và ra khỏi thiết bị của dòng nhập liệu. : lưu lượng của dòng nhập liệu.−Nếu dòng nhập liệu có cấu tử A chưa có chuyển hóa thì X Ao = 0, khi đó: (2)−Để xác định nhiệt độ của dòng sản phẩm nhằm tính vận tốc của phản ứng, ta viết phương trình cân bằng năng lượng cho toàn thể tích hỗn hợp phản ứng V. Số hạng thứ tư trong phương trình cân bằng năng lượng bằng không. Chọn trạng thái chuẩn (nhiệt độ, áp suất, thành phần) để tính enthalpy. Continuous Stirred Tank Reactor Mục lục Cơ sở thuyết 1.1 Cân vật chất lượng tổng quát a Cân vật chất b Cân lượng 1.2 Thiết bị phản ứng khuấy trộn tưởng: 1.3 Hiệu ứng nhiệt độ: a Khái niệm bản: b Các phương pháp nghiên cứu thời gian lưu: Ứng dụng: Ví dụ minh họa 10 1.1 Bài toán 10 a Yêu cầu 10 b Thực hiện: 10 c Kết 21 1.2 Ứng dụng toán: 21 a Yêu cầu 21 b Thực hiện: 22 Continuous Stirred Tank Reactor Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR) Cơ sở thuyết 1.1 Cân vật chất lượng tổng quát a Cân vật chất − Cân vật chất cho tác chất viết dạng tổng quát để áp dụng cho dạng thiết bị phản ứng Trong phân tố thể tích ∆V phân tố thời gian ∆t, dạng tổng quát là: - - = − Hai số hạng đầu biểu diễn khối lượng (mol) tác chất vào khỏi phân tố thể tích khoảng thời gian ∆t − Số hạng thứ ba tùy thuộc vào vận tốc phản ứng phân tố thể tích ∆V có dạng là: r ∆V ∆t − Số hạng thứ tư biểu diễn biến đổi sau lượng tác chất khoảng thời gian ∆t gây ba số hạng − Chú ý: r phương trình vận tốc phản ứng hóa học khơng có trở lực vật (gradient nhiệt độ hay nồng độ) phân tố thể tích ∆V Phương trình cân vật chất thay khối lượng mol Continuous Stirred Tank Reactor b Cân lượng − Cân lượng nhằm mục đích xác định nhiệt độ vị trí thiết bị phản ứng (hay thời điểm thiết bị hoạt động gián đoạn) để xác định vận tốc thời điểm − Với phân tố thể tích ∆V vả thời gian vi cấp ∆t, phương trình bảo toàn lượng: - - = − Sự khác biệt số hạng thứ số hạng thứ hai phản ánh khác biệt nhiệt độ thành phần dòng vào dòng (ví dụ nhiệt phản ứng) − Số hạng thứ ba phản ánh trao đổi lượng với mơi trường ngồi thơng qua diện tích bề mặt trao đổi nhiệt − Lời giải cho phương trình cân lượng cho nhiệt độ hàm số theo vị trí hay thời gian thiết bị phản ứng − Phương trình cân vật chất hay lượng phụ thuộc vào loại thiết bị phản ứng phương pháp vận hành Trong đa số trường hợp, hay nhiều số hạng hai phương trình khơng Quan trọng khả giải phương trình tủy thuộc giả sử điều kiện khuấy trộn hay khuếch tán thiết bị phản ứng Điều giải thích việc phân loại thiết bị phản ứng gồm dạng ống dạng khuấy Continuous Stirred Tank Reactor 1.2 Thiết bị phản ứng khuấy trộn tưởngThiết bị phản ứng khấy trơn tưởng có ba cách vận hành: vận hành liên tục, gián đoạn bán liên tục − Đặc trưng loại trình khuấy trộn hồn tồn Do đó, hỗn hợp phản ứng đồng tất phần thiết bị giống với dòng (sản phNm) Điều có nghĩa phân tố thể tích phương trình cân lấy thể tích V toàn thiết bị phản ứng Ngoài thành phần nhiệt độ phản ứng xảy với thành phần nhiệt độ dòng − Thiết bị phàn ứng khuấy trộn liên tục: − Tính chất dòng nhập liệu sản phNm khơng thay đổi theo thời gian Như hai số hạng đầu phương trình cân vật chất khơng đổi Vì hỗn hợp phản ứng bình có nhiệt độ không đổi thành phần đồng nhất, vận tốc phản ứng không đổi xác định nhiệt độ thành phần dòng sản phNm Ngồi điều kiện hoạt động liên tục ổn định nên khơng có tích tụ, nên số hạng thứ tư khơng.Vậy phương trình cân vật chất có dạng: FAo (1 – XAo) ∆t – FAo (1 – XAf) ∆t – (-rA)f V ∆t = Hay: (1) Với: X Ao, X Af: độ chuyển hóa trước và khỏi thiết bị dòng nhập liệu : lưu lượng dòng nhập liệu − Nếu dòng nhập liệu có cấu tử A chưa có chuyển hóa X Ao = 0, đó: (2) − Để xác định nhiệt độ dòng sản phNm nhằm tính vận tốc phản ứng, ta viết phương trình cân lượng cho tồn thể tích hỗn hợp phản ứng V Số hạng Continuous Stirred Tank Reactor thứ tư phương trình cân lượng không Chọn trạng thái chuNn (nhiệt độ, áp suất, thành phần) để tính enthalpy − Giả sử enthalpy (cho đơn vị khối lượng kJ/kg) so với trạng thái chuNn nhập liệu Ho dòng sản phNm Hf Nếu gọi mt suất lượng tổng cộng dòng nhập liệu (kg/s), phương trình cân lượng có dạng: mt.(Ho – Hf) ∆t + K.S.(Tn – Tf) ∆t = Hay: mt.(Ho – Hf) + K.S.(Tn – Tf) = (3) − Sự trao đổi nhiệt độ với mơi trường bên ngồi biểu diễn theo nhiệt độ mơi trường ngồi Tn nhiệt độ hỗn hợp phản ứng Tf, hệ số truyền nhiệt tổng quát K, diện tích bề mặt truyền nhiệt S − Nhiệt phản ứng ∆Hr vận tốc phản ứng (-rA)f không xuất trực tiếp phương trình − Tuy nhiên, ảnh hưởng đại lượng phản ánh sai biệt enthalpy dòng nhập liệu dòng sản phNm dòng có nhiệt độ thành phần khác Để tính enthalpy Hf dòng sản phNm, cần biết ∆Hr (rA )f − Xét biến đổi enthalpy nhập liệu từ nhiệt độ To đến nhiệt độ Tf sau phản ứng tạo thành sản phNm: Hf – Ho = Cp.(Tf – To) + (XAf – XAo) ∆Hr Trong đó: ,kJ/kg (4) ∆Hr : nhiệt phản ứng cho mol tác chất giới hạn A FAo : suất lượng mol (kmol/s) A vào bình − Thay (4) vào (3) ta có: mt Cp.(Tf – To) + (XAf – XAo) ∆Hr FAo + K.S.(Tn – Tf) = (5) Continuous Stirred Tank Reactor − Phương trình (5) biểu diễn theo vận tốc phản ứng thay độ chuyển hóa thay (1) vào (5): mt Cp.(Tf – To) – (-rA)f V ∆Hr + K.S.(Tn – Tf) = (6) − Các phương trình (3), (5), (6) dạng tương đương với ích lợi cho việc thiết kế thiết bị phản ứng đồng thể 1.3 Hiệu ứng nhiệt độ − Để xác định điều kiện tối ưu cho việc thực phản ứng, ta xét ảnh hưởng loại thiết bị thể tích thiết bị đến độ chuyển hóa Sau đây, ta xét ảnh hưởng nhiệt độ đến trình phản ứng − Đầu tiên, ta cần biết nhiệt độ ảnh hưởng đến hiệu suất, vận tốc phản ứng phân phối sản phNm Từ giúp ta xác định khoảng biến thiên nhiệt độ tối ưu : • Theo thời gian thiết bị phản ứng hoạt động gián đoạn • Theo chiều dài thiết bị phản ứng dạng ống − Hoặc từ thiết bị phản ứng sang thiết bị phản ứng khác hệ thống thiết bị phản ứng mắc nối tiếp − Trong phản ứng thu nhiệt : nhiệt độ giảm độ chuyển hóa tăng trừ ta thêm vào hệ thống lượng nhiệt lớn lượng nhiệt phản ứng hấp thu Do việc giảm nồng độ tác chất độ chuyển hóa tăng giảm nhiệt độ nên khiến cho vận tốc phản ứng giảm Như vậy, độ chuyển hóa thiết bị phản ứng hoạt động không đẳng nhiệt nhỏ hoạt động đẳng nhiệt Khi thêm lượng vào hạn chế giảm nhiệt độ hạn chế giảm độ chuyển hóa Continuous Stirred Tank Reactor − Trong phản ứng toả nhiệt : nhiệt độ tăng độ chuyển hóa tăng Khi độ chuyển hóa thấp, tăng vận tốc phản ứng tăng nhiệt độ lớn giảm vận tốc phản ứng giảm nồng độ tác chất Thông thường độ chuyển hóa lớn cho q trình đẳng nhiệt Tuy nhiên, phản ứng phụ yếu tố khác giới hạn nhiệt độ cho phép − Sự tăng vận tốc trình phản ứng toả nhiệt bị hạn chế giới hạn độ chuyển hóa Giới hạn độ chuyển hóa phản ứng khơng thuận nghịch 100% Khi giới hạn đạt nồng độ tác chất vận tốc phản ứng không nhiệt độ Như vậy, đường biểu diễn vận tốc theo độ chuyển hóa cho phản ứng toả nhiệt hoạt động đoạn nhiệt có điểm cực đại a Khái niệm − Trong hệ thống thiết bị, phần tử lưu chất khác theo đường khác Dựa hàm phân bố thời gian lưu xác định được, ta đánh giá tương quan dòng thiết bị, nhược điểm sinh thiết kế vùng tù, dòng chảy tắt tìm cách khắc phục nhờ đánh giá − Nghiên cứu thời gian lưu phương pháp cần thiết để so sánh thiết bị dựa dòng vật liệu từ cải tiến, lập mơ hình tối ưu − Cũng dựa hàm phân bổ thời gian lưu ta vận hành tối ưu qua thiết lập thông số, phương pháp điều khiển tối ưu hóa q trình thiết bị − Thời gian lưu phần tử hệ thời gian phần tử lưu lại bình phản ứng, hay thiết bị cần khảo sát Thời gian lưu của thiết bị đại lượng xác suất Như tất thời gian lưu dao động xung quanh Continuous Stirred Tank Reactor thời gian lưu trung bình, xác định thời gian lưu trung bình đặc biệt có ý nghĩa tV = n ∑ t Vi n i =1 (1) Trong tVi thời gian lưu phần tử i − Với định nghĩa hàm phân bố thời gian lưu F (tV) = E (tV), ta có : ∞ t V = ∫ f (t V )t V dt V = E(t V ) (2) ∞ Hay: t V = ∫c A I (t V )t V dt V ∞ ∫c (3) A I (t V ).dt V K − Với hàm điểm ta có: t = ∑c t i =1 K i i ∑c i =1 (4) i Với K khoảng chia − Thời gian lưu trung bình thể tích: τ = VR =t VM (5) Với: VR : thể tích lưu chất bình, lít VM: lưu lượng dòng vào thiết bị, lít/giây − Nếu chất thị khơng đạt tương quan tưởng phương trình khơng thỏa mãn (nếu τ > t chất thị bị hấp phụ vào thành bình chi tiết phụ) Continuous Stirred Tank Reactor b Các phương pháp nghiên cứu thời gian lưu − Nghiên cứu thời gian lưu tiến hành theo phương pháp: • Xác định thành phần cấu tử thời điểm t (hoặc τ) khỏi thiết bị, xác định hàm F(t) F(τ) • Xác định thành phần cấu tử thời điểm t (hoặc τ) lưu lại thiết bị, hàm I(t) I(τ) • Xác định thành phần cấu tử thời điểm t (hoặc τ) q trình thóat khỏi thiết bị, hàm f(t) f(τ) − Để khảo sát khả hoạt động thiết phản ứng thực tế ta thường dùng phương pháp kích thích – đáp ứng (phương pháp đánh dấu) Ứng dụng − Với thiết bị CSTR mơ Pro/II ta từ suất lượng thông số trạng thái ban đầu (nhiệt độ, áp suất ) nguyên liệu mà tính tốn xác định sản phNm tạo thành, độ chuyển hóa nguyên liệu… − Thiết bị CSTR Pro/II ứng dụng để tính tốn trường hợp khi: • Nhiệt độ dòng nhập liệu sản phNm • Nhiệt độ dòng nhập liệu sản phNm khác • Từ cơng suất thiết bị mà biết lượng sản phNm, mức độ chuyển hóa − Khi thiết kế tối ưu thiết bị phản ứng, vấn đề kiểm soát thiết bị phản ứng xác định phương án thay đổi điều kiện điều hành để thiết bị phản ứng trở điều kiện tối ưu Continuous Stirred Tank Reactor nhanh tốt điều kiện ban đầu bị thay đổi (nhiệt độ, Enthalpy ) Khi sử dụng pro II để khảo sát điều kiện ban đầu thay đổi nhằm xác định độ chuyển hóa đạt u cầu Ví dụ minh họa 1.1 Bài tốn a u cầu − Cho dòng nhập liệu 25oC 1atm với thành phần cho bảng sau: Thành phần CH3COOH C2H5OH Lượng nhập liệu (kg-mol/h) 1,8144 2.2680 − Sử dụng Continuous Stirred Tank Reactor để thực phản ứng ester hóa : − CH3COOH + C2H5OH ↔ CH3COOC2H5 + H2O − Với điều kiện nhập liệu xác định: • Sản phNm tạo thành • Độ chuyển hóa b Thực − Bước 1: Tạo sơ đồ PFD cho q trình • Click vào biểu tượng 10 Continuous Stirred Tank Reactor Hình 21: Cửa sổ nhập liệu dòng S1: nhiệt độ áp suất • Thiết lập liệu dòng S2: thực tương tự dòng S1 − Bước 5: Thiết lập liệu phản ứng Hình 22: Thiết lập tên phản ứng 25 Continuous Stirred Tank Reactor Hình 23: Thiết lập phương pháp tính tốn động lực học phản ứng Hình 24: Thiết lập hệ số tỷ lượng chất phản ứng 26 Continuous Stirred Tank Reactor − Bước 6: Thiết lập liệu khảo sát: • Click biểu tượng (Case Study) để thiết lập liệu khảo sát • Chọn Define Case Study Hình 25: Cửa sổ Case Study • Thiết lập tham số khảo sát nhiệt độ dòng nhập liệu S1 S2 • Thiết lập tham số dòng S1: Parameters: Click Parameter (màu đỏ) Trong cửa sổ Parameter: Stream/Unit: chọn Stream Stream Name: chọn S1 27 Continuous Stirred Tank Reactor Hình 26: Cửa sổ Parameter dòng S1 Click Parameter (màu đỏ) Trong cửa sổ Parameter Selection, chọn Temperature Hình 27: Cửa sổ Parameter Selection dòng S1 Chọn nhiệt độ bắt đầu bước nhảy khảo sát: Click tùy chọn sau “…starting value = ” Trong cửa sổ Parament Start Value: Actual Value: 25 28 Continuous Stirred Tank Reactor Hình 28: Cửa sổ Parament Start Value Click tùy chọn sau “…step size = ” Trong cửa sổ Parameter Step Value Basic: chọn Actual Value of Change: 10 Chọn vòng lặp: Click vào tùy chọn sau “…through cycle ” : Hình 29: Chọn vòng lặp khảo sát dòng S1 • Thiết lập tham số dòng S2: Parameters Click 1, click Insert 29 Continuous Stirred Tank Reactor Hình 30: Tạo thiết lập tham số dòng S2 Hình 31: Tạo thiết lập tham số dòng S2 • Các bước thiết lập thực tương tự dòng S1 Hình 32: Thiết lập tham số khảo sát dòng S1, S2 hồn tất 30 Continuous Stirred Tank Reactor • Thiết lập kết khảo sát độ chuyển hóa lượng thiết bị CSTR Results Thiết lập kết khảo sát độ chuyển hóa thiết bị CSTR: Click tùy chọn sau “…RESULT1 = ” Trong cửa sổ Parameter Stream/Unit: CSTR/BP Stream Name: R1 Hình 33: Cửa sổ Parameter kết khảo sát Click Parameter (màu đỏ) Trong cửa sổ Parameter Selection Parameter: Conversion Reaction Name: ESTER 31 Continuous Stirred Tank Reactor Hình 34: Cửa sổ Parameter Selection kết khảo sát • Thiết lập kết khảo sát độ lượng thiết bị CSTR: • Các bước thiết lập tương tự Hình 35: Cửa sổ Parameter Selection kết khảo sát 32 Continuous Stirred Tank Reactor Hình 36: Cửa sổ Case Study hoàn tất − Bước 7: Thiết lập liệu thiết bị • Reactor Type: chọn Continuous Stirred Tank • Reaction Set Name: chọn phản ứng xảy • Thermal Specification : chọn Combined Feed Temperature : dòng có nhiệt độ dòng vào 33 Continuous Stirred Tank Reactor Hình 37: Cửa sổ nhập liệu thiết bị CSTR • Click Unit Reaction Definitions, click Kinetic Data (các thiết lập khác chọn mặc định PRO/II) Hình 38: Cửa sổ Unit Reaction Definitions 34 Continuous Stirred Tank Reactor • Pre-exponential Factor (A): thừa số trước lũy thừa : 17.065 • Activation Energy (E): lượng hoạt hóa : 0.0207682x103 kJ/kg-mol • Temperature Exponent (n): số mũ nhiệt độ: • Base Component: acid Acetic Hình 39: Cửa sổ Kinetic Data • Click Reactor Data • Reactor Volume: thể tích thiết bị CSTR: 200 m3 Hình 40: Cửa sổ Reactor Data: nhập thể tích thiết bị 35 Continuous Stirred Tank Reactor • Click Pressure: • Pressure Drop: chênh lệch áp suất: Hình 41: Cửa sổ Pressure Hình 42: Màn hình PRO/II sau nhập đủ liệu cần thiết 36 Continuous Stirred Tank Reactor − Bước 7: Chạy mơ phỏng: Hình 43: Chạy mô thành công 37 Continuous Stirred Tank Reactor • Kết có sau chạy mơ thành cơng: 38 Continuous Stirred Tank Reactor Hình 29: Kết mơ • Vậy: độ chuyển hóa acid Acetic 0.9667 đạt nhiệt độ nhập liệu 45oC 39 ... kiện khuấy trộn hay khuếch tán thiết bị phản ứng Điều giải thích việc phân loại thiết bị phản ứng gồm dạng ống dạng khuấy Continuous Stirred Tank Reactor 1.2 Thiết bị phản ứng khuấy trộn lý tưởng. .. gián đoạn • Theo chiều dài thiết bị phản ứng dạng ống − Hoặc từ thiết bị phản ứng sang thiết bị phản ứng khác hệ thống thiết bị phản ứng mắc nối tiếp − Trong phản ứng thu nhiệt : nhiệt độ giảm... phNm, mức độ chuyển hóa − Khi thiết kế tối ưu thiết bị phản ứng, vấn đề kiểm soát thiết bị phản ứng xác định phương án thay đổi điều kiện điều hành để thiết bị phản ứng trở điều kiện tối ưu Continuous
- Xem thêm -

Xem thêm: Thiết bị phản ứng khuấy trộn lý tưởng, Thiết bị phản ứng khuấy trộn lý tưởng

Gợi ý tài liệu liên quan cho bạn

Nhận lời giải ngay chưa đến 10 phút Đăng bài tập ngay