TRUYỀN KHỐI MASS TRANSFER 1 Thông thường, quá trình tổng hợp chất trong hóa học không chỉ có một phản ứng xảy ra mà nó gồm nhiều phản ứng Ví dụ, ethylene được sản xuất bằng cách dehydro hóa ethane C2H.
Hệ có nhiều phản ứng Thơng thường, q trình tổng hợp chất hóa học khơng có phản ứng xảy mà gồm nhiều phản ứng Ví dụ, ethylene sản xuất cách dehydro hóa ethane: C2 H6 → C2 H4 + H2 C2 H6 + H2 → 2CH4 C2 H6 + C2 H4 → C3 H6 + CH4 Hiệu suất phản ứng Yield Hiệu suất phản ứng định nghĩa sau: Số mol sản phẩm mong muốn hình thành Yield = Số mol hình thành khơng có phản ứng phụ chất phản ứng hữu hạn phản ứng hết Số mol sản phẩm mong muốn hình thành Yield = Số mol chất phản ứng nhập liệu Số mol sản phẩm mong muốn hình thành Yield = Số mol chất phản ứng (tiêu thụ) Độ chọn lọc Selectivity Số mol sản phẩm mong muốn Độ chọn lọc = Số mol sản phẩm không mong muốn Phương pháp mức độ phản ứng áp dụng cho hệ có nhiều phản ứng cách viết cân cho phản ứng Nếu hệ nhiều phản ứng xảy quy trình gián đoạn liên tục, bình phản ứng ổn định, phương trình: 𝑛ሶ 𝑖 = 𝑛ሶ 𝑖o + 𝜈𝑖𝑗 𝜉𝑗 𝑗 𝑣𝑖𝑗 : hệ số tỷ lượng chất i phản ứng j 𝜉𝑗 : mức độ phản ứng phản ứng j Ví dụ: Cho phản ứng: C2 H6 + O2 → 2CO2 + 3H2 O C2 H6 + O2 → 2CO + 3H2 O Biết CO sản phẩm không mong muốn Dịng nhập liệu vào bình phản ứng chứa 100 mol C2H6 500 mol O2 Dòng sản phẩm chứa 20 mol C2H6, 120 mol CO2, 40 mol CO, 240 mol H2O Độ chuyển hóa bình phản ứng 80% Tìm hiệu suất độ chọn lọc Các đại lượng biết: thành phần dòng nhập liệu dịng sản phẩm Cần tìm: hiệu suất độ chọn lọc Tìm hiệu suất theo định nghĩa khác nhau: Số mol sản phẩm mong muốn hình thành Yield = Số mol hình thành khơng có phản ứng phụ chất phản ứng hữu hạn phản ứng hết 120 𝑚𝑜𝑙 CO2 Yield = = 0,6 200 𝑚𝑜𝑙 CO2 (từ 100 mol C2H6 tối đa có 200 mol CO2) Số mol sản phẩm mong muốn hình thành Yield = Số mol chất phản ứng nhập liệu 120 𝑚𝑜𝑙 CO2 Yield = = 1,2 100 𝑚𝑜𝑙 C2 H6 Số mol sản phẩm mong muốn hình thành Yield = Số mol chất phản ứng (tiêu thụ) 120 𝑚𝑜𝑙 CO2 Yield = = 1,5 100 − 20 Tính theo chất phản ứng hữu hạn Độ chọn lọc 120 𝑚𝑜𝑙 CO2 Độ chọn lọc = =3 40 𝑚𝑜𝑙 CO Phân tích bậc tự Phương pháp mức độ phản ứng Extent of Reaction Method Số lượng ẩn + Số phương trình phản ứng độc lập* (mỗi mức độ phản ứng cho phương trình) − Loại chất phản ứng độc lập (mỗi chất phản ứng tương ứng với phương trình theo 𝜉) − Số chất không phản ứng (mỗi chất không phản ứng tương ứng với phương trình) − Số phương trình khác liên quan đến ẩn chưa biết = Bậc tự *Phương trình phản ứng độc lập Các phương trình phản ứng gọi độc lập với chúng khơng có mối quan hệ tuyến tính cộng, trừ, hay nhân phương trình phản ứng lại với Ví dụ: 𝐴 → 2𝐵 (1) 𝐵 → 𝐶 (2) 𝐴 → 2𝐶 (3) phương trình phản ứng không độc lập (3) = (1) + x (2) Nhưng xét phương trình chúng độc lập với Phương pháp cân nguyên tử Atomic Balance Method Số lượng ẩn − Số cân nguyên tử độc lập − Số cân phân tử dựa chất khơng phản ứng − Số phương trình khác liên quan đến ẩn chưa biết = Bậc tự Nhìn chung, có n cân cho n loại nguyên tử độc lập Tuy nhiên, chất/nguyên tử có tỷ lệ nơi chúng có mặt (đầu vào đầu ra): Cân chất/ngun tử khơng phương trình độc lập 10 Phản ứng có dịng hồn lưu dịng xả • Một vấn đề xảy quy trình có dịng hồn lưu vật chất vào quy trình theo dịng nhập liệu sinh bình phản ứng, tồn động tất dịng hồn lưu thay theo dịng sản phẩm • Để tránh trường hợp xảy ra, phần nhỏ dịng hồn lưu tách (dịng xả) Trong sơ đồ quy trình, vị trí xả đại diện tách dịng • Thành phần dịng hoàn lưu trước sau điểm xả (chỉ có phương trình độc lập phương trình lưu lượng) • Dịng hồn lưu cho phép quy trình có chuyển hóa lần thấp có chuyển hóa tồn phần cao 36 Dịng hồn lưu Dòng xả Nhập liệu ban đầu Sản phẩm Nhập liệu TB phản ứng vào TB Sự chuyển hóa lần phản ứng Sự chuyển hóa tồn phần 37 PHÂN TÍCH BẬC TỰ DO CHO QUY TRÌNH NHIỀU THIẾT BỊ CĨ PHẢN ỨNG Các bước thực (xem lại chương 2): Tìm ẩn đề Cộng với số phương trình phản ứng có hệ Trừ số phương trình cân độc lập Trừ mối liên hệ có đề 38 Ví dụ: Cho phản ứng sản xuất methanol từ CO2 H2: CO2 + 3H2 → CH3 OH + H2 O Dòng nhập liệu ban đầu chứa hydrogen, CO2 0,4% mol chất trơ (I) Dịng sản phẩm rời khỏi bình phản ứng chuyển vào thiết bị phân tách để loại bỏ chất chưa phản ứng chất trơ khỏi sản phẩm (methanol nước) Chất chưa phản ứng chất trơ hồn lưu trở lại bình phản ứng Để tránh tích tụ chất trơ hệ, dịng xả thiết lập từ dịng hồn lưu Dịng nhập liệu vào thiết bị phản ứng (khơng phải dịng nhập liệu ban đầu) chứa 28% mol CO2, 78% mol H2 2% mol chất trơ Biết chuyển hóa lần hydrogen 60% Phân tích bậc tự tìm lưu lượng mol thành phần dòng nhập liệu ban đầu, lưu lượng tổng đưa vào thiết bị phản ứng, lưu lượng dịng hồn lưu dòng xả lưu lượng sản phẩm khỏi hệ thống 155 mol 39 CH3OH/h F1 F2 𝑛ሶ 0,7 𝑥H2,1 𝑛ሶ H2,0 0,28 𝑥CO2 ,1 𝑛ሶ CO2,0 0,02 𝑥I,1 0,004 𝑥I,0 𝑛ሶ H2 ,4 𝑛ሶ CO2 ,4 𝑛ሶ I,4 TB phản ứng TB phân tách Dịng hồn lưu Dịng xả (Purge) 𝑛ሶ H2 ,5 𝑛ሶ CO2 ,5 𝑛ሶ I,5 𝑛ሶ H2 ,2 𝑛ሶ CO2 ,2 𝑛ሶ I,2 Sản phẩm 𝑛ሶ H2 O,3 𝑛ሶ H2 O,2 𝑚𝑜𝑙 𝑛ሶ CH3 OH,2 155 𝑛ሶ CH3OH,3 ℎ 40 Phân tích bậc tự TB trộn TB Phản ứng Ẩn: (𝑛ሶ , 𝑛ሶ , 𝑛ሶ , 𝑛ሶ H2 ,0 , 𝑛ሶ CO2 ,0 , 𝑛ሶ CO2,6 𝑛ሶ H2 ,6 ) Phương trình độc lập: Mối liên hệ: NDF = − − = Ẩn: (𝑛ሶ , 𝑛ሶ I,2 , 𝑛ሶ H2 ,2 , 𝑛ሶ CO2,2 , 𝑛ሶ CH3 OH,2 , 𝑛ሶ H2 O,2 ) Số phương trình phản ứng: Phương trình độc lập: Mối liên hệ: (sự chuyển hóa lần) NDF = + − − = 41 TB Phân tách Ẩn: (𝑛ሶ I,2 , 𝑛ሶ H2,2 , 𝑛ሶ CO2,2 , 𝑛ሶ CH3OH,2 , 𝑛ሶ H2 O,2 , 𝑛ሶ H2,4 , 𝑛ሶ CO2 ,4 , 𝑛ሶ I,4 , 𝑛ሶ H2 O,3 ) Phương trình độc lập: Mối liên hệ: NDF = − − = Bộ Chia dòng Một phương trình cân lưu lượng Tồn hệ Ẩn: (𝑛ሶ , 𝑛ሶ H2,0 , 𝑛ሶ CO2,0 , 𝑛ሶ H2 ,5 , 𝑛ሶ CO2,5 , 𝑛ሶ I,5 , 𝑛ሶ H2O,3 ) Số phương trình phản ứng: Phương trình độc lập: Mối liên hệ: NDF = + − − = 42 Dự vào phân tích bậc tự do, nhận thấy NDF thấp xảy CBVC xung quanh TB phản ứng Tuy nhiên NDF > nên chưa thể giải vấn đề Do cần thêm thơng tin làm rõ thông tin biết Xét CBVC xung quanh TB phản ứng: Khi thực giả thiết: “tồn số mol methanol rời khỏi bình phản ứng tách hoàn toàn qua thiết bị phân tách đáy thiết bị” Giả thiết dẫn đến số mol methanol khỏi thiết bị phản ứng với số mol methanol khỏi TB phân tách dòng sản phẩm đáy Khi NDF TB phản ứng 43 Áp dụng phương pháp mức độ phản ứng: CO2 H2 CH3 OH 𝑛ሶ CO2 ,2 = 𝑛ሶ CO2 ,1 − 𝜉 𝑛ሶ H2,2 = 𝑛ሶ H2 ,1 − 3𝜉 𝑛ሶ CH3 OH,2 = 𝑛ሶ CH3 OH,1 + 𝜉 H2 O 𝑛ሶ H2 O,2 = 𝑛ሶ H2O,1 + 𝜉 Trơ 𝑛ሶ I,2 = 𝑛ሶ I,1 CO2 + 3H2 → CH3 OH + H2 O Ta có: 𝑛ሶ CO2 ,1 = 0,28𝑛ሶ 𝑛ሶ H2,1 = 0,7𝑛ሶ 𝑛CH3 OH,1 = 𝑛H2 O,1 = 𝑛ሶ I,1 = 0,02𝑛ሶ 44 Vì thế: CO2 𝑛ሶ CO2 ,2 = 0,28𝑛ሶ − 𝜉 (1) H2 𝑛ሶ H2,2 = 0,7𝑛ሶ − 3𝜉 (2) CH3 OH 𝑛ሶ CH3 OH,2 = + 𝜉 (3) H2 O 𝑛ሶ H2O,2 = + 𝜉 (4) Trơ 𝑛ሶ I,2 = 0,02𝑛ሶ (5) Theo giả thiết 𝑛ሶ CH3 OH,2 = 𝑛ሶ CH3 OH,3 = 155 𝑚𝑜𝑙/ℎ 𝜉 = 155 = 𝑛ሶ H2O,2 Từ mối liên hệ: 𝑛ሶ H2,1 − 𝑛ሶ H2 ,2 0,7𝑛ሶ − 𝑛ሶ H2,2 0,6 = = 𝑛ሶ H2 0,7𝑛ሶ 0,42𝑛ሶ = 0,7𝑛ሶ − 𝑛ሶ H2 ,2 (2’) 45 Từ (2) (2’), ta có hệ phương trình: 𝑛ሶ H2,2 = 0,7𝑛ሶ − × 155 0,42𝑛ሶ = 0,7𝑛ሶ − 𝑛ሶ H2 ,2 Giải hệ, thu được: 𝑛ሶ H2 ,2 = 310 𝑚𝑜𝑙/ℎ 𝑛ሶ = 1107 𝑚𝑜𝑙/ℎ 𝑛ሶ H2,1 = 775 𝑚𝑜𝑙/ℎ 𝑛ሶ CO2 ,1 = 310 𝑚𝑜𝑙/ℎ 𝑛ሶ I,2 = 𝑛ሶ I,1 = 22,14 𝑚𝑜𝑙/ℎ 𝑛ሶ CH3 OH,2 = 155 𝑚𝑜𝑙/ℎ 𝑛ሶ CO2,2 = 155 𝑚𝑜𝑙/ℎ 𝑛ሶ H2 O,2 = 155 𝑚𝑜𝑙/ℎ 𝑛ሶ = 797 𝑚𝑜𝑙/ℎ 46 CBVC xung quanh TB tách: Theo giả thiết đặt ra, toàn CH3OH tách theo dịng sản phẩm đáy TB phân tách ➔ tồn khí tách sản phẩm đỉnh TB phân tách 𝑛ሶ = 𝑛ሶ − 𝑛ሶ 𝑛ሶ H2 ,2 = 𝑛ሶ H2,4 = 310 𝑚𝑜𝑙/ℎ = 310 𝑚𝑜𝑙/ℎ 𝑛ሶ Trơ,2 = 𝑛ሶ Trơ,1 = 𝑛ሶ Trơ,4 = 22,14 𝑚𝑜𝑙/ℎ 𝑛ሶ H2O,3 = 310 − 155 𝑛ሶ CO2 ,2 = 𝑛ሶ CO2,4 = 155 𝑚𝑜𝑙/ℎ = 155 𝑚𝑜𝑙/ℎ 𝑛ሶ = 487 𝑚𝑜𝑙/ℎ 47 CBVC xung quanh TB trộn: Phương trình tổng: 𝑛ሶ = 𝑛ሶ + 𝑛ሶ 1107 = 𝑛ሶ + 𝑛ሶ (*) Do chia dịng khơng làm thay đổi thành phần dòng: 22 𝑥I,6 = 𝑥I,5 = 𝑥I,4 = 310 + 155 + 22,14 = 0,045 Phương cấu tử: 𝑥I,1 1107 = 𝑥I,0 𝑛ሶ + 𝑥I,6 𝑛ሶ 0,02 × 1107 = 0,004 × 𝑛ሶ + 𝑥I,6 𝑛ሶ (**) Thử giải cách cho lưu lương mol nhập liệu vào bình phản ứng 100 mol/h (𝑛ሶ ), sau tìm thành phần tính theo 155 mol/h sản phẩm đầu (quy mơ hóa lên) Giải hệ phương tình (*) (**): 𝑛ሶ = 685 𝑚𝑜𝑙/ℎ 𝑛ሶ = 422 𝑚𝑜𝑙/ℎ 𝑛ሶ = 487 − 422 = 65 𝑚𝑜𝑙/ℎ 48 PHẢN ỨNG VÀ QUY TRÌNH ỔN ĐỊNH NHIỀU THIẾT BỊ Một số phận trọng hệ thống có phản ứng xảy ra, số khác khơng Đối với phận có phản ứng xảy (thường TB phản ứng toàn hệ): a) Sử dụng dòng lưu lượng cấu tử xung quanh TB phản ứng không sử dụng thành phần (phần mol) b) Đối với cân mol, sử dụng hệ số phản ứng sinh ra/tiêu thụ sản phẩm hay tác chất c) Trong phận khơng có phản ứng (TB trộn, chia dòng TB phân tách): đầu vào = đầu (số mol bảo tồn, khơng có sinh hay đi) Có thể sử dụng lưu lượng hay thành phần 49 Phản ứng kết hợp với phân tách sản phẩm hồn lưu: a) Dịng hồn lưu sử dụng để thu hồi tái sử dụng chất phản ứng chưa phản ứng b) Dịng hồn lưu cho phép TB phản ứng dù có chuyển hóa lần (chuyển hóa cục bộ) thấp lại có chuyển hóa tồn phần cao) Phản ứng có hồn lưu xả a) Dòng xả dùng để tránh tích tụ chất trơ (hoặc sản phẩm chưa phân tách hoàn toàn) hệ thống b) Điểm xả tách dịng ➔ có phương trình cân vật chất (khơng có phương trình cân theo thành phần cấu tử) 50 ... khơng làm thay đổi thành phần dịng: 22