Thiết bị phản ứng trong công nghiệp hoá dầu - PGS TS Trần Công Khanh
Tài liệu tham khảo về thiết bị phản ứng trong công nghiệp hoá dầu. Thiết bị phản ứng - 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. » Xem thêm
Tóm tắt nội dung tài liệu
- THIẾT BỊ PHẢN ỨNG
trong công nghiệp hoá dầu.
Người soạn : PGS,TS Trần Công Khanh.
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
04/27/10
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)
04/27/10
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
04/27/10
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 ".
04/27/10
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.
04/27/10
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
04/27/10
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 ). 04/27/10
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.
04/27/10
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
04/27/10 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 .
04/27/10
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
.
04/27/10 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.
04/27/10
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 ].
04/27/10
13
- 2/Theo chế độ dòng chảy :
*Mô hình đẩy lý
CA0 CAL
tưởng :
L -Là mô hình dòng
chảy trong thiết bị
Nồng độ
chất phản ứng
CA0
CA0 chuyển động tịnh tiến
theo thứ tự trước sau
như chuyển động của
CAL
CAL
pit-tông trong xi lanh
Và do đó nồng độ chất
0 L
L Chiều dài
ống phản ứng
phản ứng thay đổi từ
H.1.4-Mô hình ĐLT và thay đổi nồng độ
từ, bắt đầu ở đầu vào
chất phản ứng trong thiết bị. là CA0 đến đầu ra là
CAL như ở hình 1.4
04/27/10 14
- *Mô hình khuấy
lý tưởng :
-Là mô hình
dòng chảy trong
thiết bị được
khuấy trộn
mạnh, chất Nồng độ
phản ứng đi vào Chất A vào
CA0 Chất A ra
chất phản ứng
được trộn lẫn CA1
CA0
đồng đều ngay
tức khắc trong
thiết bị, do đó CA1
CA1
nồng độ chất
phản ứng thay Toạ độ phản ứ ng
đổi đột ngột ở H.1.5-Mô hình KLT và thay đổi nồng độ trong thiết bị
tại đầu vào của
thiết bị như ở
hình 1.5
04/27/10 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.
04/27/10
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 C A1 CA2 C A3 CA (n-1) CAn
1 2 3 n
C A0
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
04/27/10 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
04/27/10
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
04/27/10
19
- 4/Theo chế độ nhiệt:
*Đoạnnhiệt:
-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 .
04/27/10
20