Một số thiết bị phản ứng trong ngành công nghệ hóa học với việc đi sâu tìm hiểu đặc điểm và các tính toán trong thiết bị

MỤC LỤC MỞ ĐẦU I Phân loại thiết bị phản ứng 1.1 Các cách phân loại thiết bị phản ứng 1.1.1 Theo pha hệ 1.1.2 Điều kiện tiến hành trình 1.2 Phân loại thiết bị phản ứng theo phương thức làm việc 1.3 Các khái niệm .5 II Một số thiết bị phản ứng 2.1 Thiết bị phản ứng liên tục 2.1.1 Thiết bị ống dòng PER (Plug flow reactor) .8 2.1.1.1 Đặc điểm thiết bị 2.1.1.2 Tính tốn thiết bị ống dòng 10 2.1.2 Thiết bị khuấy lý tưởng liên tục 13 2.1.2.1 Đặc điểm thiết bị 13 2.1.2.2 Tính tốn thiết bị phản ứng khuấy lý tưởng liên tục 15 2.2 Thiết bị phản ứng gián đoạn 19 2.2.1 Thiết bị khuấy lý tưởng gián đoạn BR (Batch reactor) 19 2.2.1.1 Đặc điểm thiết bị 19 2.2.1.2 Tính tốn thiết bị 20 2.3 So sánh thiết bị phản ứng đơn giản 24 2.3.1 So sánh thiết bị phản ứng đơn giản 24 2.3.2 Các toán ví dụ: 24 2.4 Hệ nhiều thiết bị phản ứng .27 2.4.1 Dãy thiết bị phản ứng nối tiếp (Hệ cascade) 27 MỞ ĐẦU Thiết bị phản ứng thiết bị trọng tâm đa số q trình biến đổi hóa học Người ta định nghĩa thiết bị phản ứng thiết bị mà xảy phản ứng hóa học, nghĩa thiết bị để chuyển hóa chất tham gia phản ứng thành sản phẩm hóa học Trong quy mơ cơng nghiệp, quy trình sản xuất xử lý hóa chất tạo sản phẩm mong muốn với yêu cầu hiệu chi phí tốt ln tốn khó doanh nghiệp Do việc nghiên cứu tìm hiểu sâu sắc số thiết bị phản ứng giúp có tầm nhìn tốt để lựa chọn giải pháp tối ưu trước bắt tay vào quy trình hoạt động nhà sản xuất Để đáp ứng yêu cầu đó, nhóm thực tìm hiểu đề tài số thiết bị phản ứng ngành cơng nghệ hóa học Với việc sâu tìm hiểu đặc điểm tính tốn thiết bị …….(hồn thiện sau) Đề tài: Thiết bị phản ứng kỹ thuật môi trường I I.1 I.1.1   Phân loại thiết bị phản ứng Các cách phân loại thiết bị phản ứng Theo pha hệ Theo chất pha : thiết bị phản ứng pha khí, lỏng rắn ; Theo số pha : - Thiết bị phản ứng pha (đồng thể) : pha khí lỏng, - Thiết bị phản ứng nhiều pha (dị thể) : - Thiết bị phản ứng hai pha : khí-lỏng, lỏng-lỏng, khí-rắn, lỏng-rắn - Thiết bị phản ứng ba pha : khí-lỏng-rắn  Theo trạng thái pha : thiết bị phản ứng pha liên tục pha phân tán I.1.2 Điều kiện tiến hành trình  Theo phương thức làm việc - Thiết bị phản ứng gián đoạn - Thiết bị phản ứng liên tục - Thiết bị phản ứng bán liên tục  Theo điều kiện nhiệt - Thiết bị phản ứng đẳng nhiệt - Thiết bị phản ứng đoạn nhiệt I.2 Phân loại thiết bị phản ứng theo phương thức làm việc Tùy thuộc vào phương thức làm việc, người ta chia thiết bị phản ứng thành loại:  Thiết bị phản ứng gián đoạn  Định nghĩa: Là thiết bị phản ứng làm việc theo mẻ, nghĩa thành phần tham gia phản ứng chất phụ gia (dung môi, chất trơ) chất xúc tác đưa tất vào thiết bị từ thời điểm đầu Sau thời gian định, phản ứng đạt độ chuyển hóa yêu cầu, người ta cho dừng thiết bị tháo sản phẩm  Ưu điểm : - Tính linh động cao : dùng thiết bị để thực phản ứng khác tạo sản phẩm khác - Đạt độ chuyển hóa cao khống chế thời gian phản ứng theo yêu cầu - Chi phí đầu tư thấp phải trang bị thiết bị điều khiển tự động  Nhược điểm : - Năng suất thấp thời gian chu kỳ làm việc dài : đòi hỏi thời gian nạp liệu, đốt nóng, làm nguội, tháo sản phẩm làm thiết bị - Mức độ giới hóa tự động hóa thấp - Khó điều chỉnh khống chế q trình tính bất ổn định phương thức làm việc gián đoạn - Mức độ gây độc hại nguy hiểm người sản xuất cao mức độ tự động hóa thấp, người cơng nhân phải tiếp xúc nhiều với hóa chất  Phạm vi ứng dụng : - Chỉ thích hợp với phân xưởng suất nhỏ - Phục vụ cho mục đích sản xuất nhiều loại sản phẩm khác thiết bị  Thiết bị phản ứng liên tục  Định nghĩa : Là thiết bị mà chất tham gia phản ứng đưa liên tục vào thiết bị sản phẩm lấy liên tục Sau thời gian khởi động nhiệt độ, áp suất, lưu lượng nồng độ chất tham gia phản ứng không thay đổi theo thời gian, thiết bị làm việc trạng thái ổn định  Ưu điểm : - Có khả giới hóa tự động hóa cao - Năng suất cao không tốn thời gian nạp liệu tháo sản phẩm - Chất lượng sản phẩm ổn định tính ổn định q trình  Nhược điểm: - Chi phí đầu tư cao, trước hết đòi hỏi phải trang bị thiết bị tự động điều khiển để đảm bảo tính ổn định trình - Tính linh động thấp, có khả thực phản ứng khác nhau, tạo sản phẩm khác  Phạm vi ứng dụng Thiết bị phản ứng liên tục sử dụng thích hợp cho trình sản xuất với suất lớn, chất lượng sản phẩm đảm bảo  Thiết bị phản ứng bán liên tục  Định nghĩa Là thiết bị mà có thành phần chất tham gia phản ứng đưa vào gián đoạn chất khác đưa vào liên tục Sản phẩm lấy gián đoạn hay liên tục  Phạm vi ứng dụng Được thực q trình khơng có khả thực theo phương thức liên tục, thực theo phương thức gián đoạn lại cho suất thấp I.3 Các khái niệm  Tốc độ nạp nguyên liệu FAo: Là lượng nguyên liệu nạp vào phản ứng đơn vị thời gian, kí hiệu F Ao (mol/phút)  Tốc độ dịng thể tích nạp liệu : Là thể tích nạp vào thiết bị phản ứng đơn vị thời gian (lít/phút)  Nồng độ nguyên liệu ban đầu CAo Là nồng độ nguyên liệu ban đầu đưa vào thiết bị phản ứng (mol/lít)  Mối quan hệ FAo, FAo = , CAo x CAo Ví dụ: FAo = (mol/phút) = (lít/phút) CAo = (mol/l)  Thời gian lưu biểu kiến : thời gian cần thiết để đưa thể tích nguyên liệu đầu thể tích thiết bị phản ứng nạp vào thiết bị V: Thể tích thiết bị phản ứng =  Khái niệm độ chuyển hóa Để thuận tiện cho việc theo dõi nghiên cứu tính toán thiết bị phản ứng người ta đưa khái niệm sau: Độ chuyển hóa XA: đại lượng thể tỷ lệ chất A chuyển hóa thành sản phẩm Với XA : độ chuyển hóa cấu tử A (XA = ÷ 1) NAO : số mol A ban đầu NA : số mol A thời điểm xem xét  Khi thể tích phản ứng khơng thay đổi V= const XA= (2) CA = CAo(1-XA)  Khi thể tích hỗn hợp phản ứng thay đổi Sự phụ thuộc thể tích hỗn hợp phản ứng vào độ chuyển hóa phụ thuộc tuyến tính: V= V0(1+ XA) (3) hệ số thay đổi thể tích, hệ số cố định với phản ứng xác định Hệ số thay đổi thể tích ( ε A ) phản ứng hóa học định định nghĩa hệ thức: = Từ (1)và (3) ta có: (4) CA= CA = CA0 (5) Ví dụ1: A 2R +S = Ví dụ 2: Trong hỗn hợp đầu chứa 50% A 50%I Vd3: Trong hỗn hợp ban đầu chứa 75%A 25% I  Cân vật chất Cân vật chất cho tác chất viết dạng tổng quát áp dụng cho dạng thiết bị phản ứng • Trong phân tố thể tích ∆V phân tố thời gian ∆t, cân vật chất dạng tổng quát : Lượng chất A nạp vào = Lượng chất A lấy + Lượng chất A chuyển hóa + Lượng chất A tích lũy Nếu thể tích điểm viết cân vật chất cho tồn thể tích vật chất II Một số thiết bị phản ứng II.1 Thiết bị phản ứng liên tục Đối với dạng thiết bị này, ta phân thành loại bản: II.1.1 Thiết bị ống dòng PER (Plug flow reactor) II.1.1.1 Đặc điểm thiết bị Trong thiết bị phản ứng kiểu dòng chất phản ứng chảy theo dòng chảy dặn dọc theo ống phản ứng, xem khơng có khuếch tán dọc theo dịng chảy khơng có khác tốc độ điểm dòng chảy Điều có nghĩa vật chất (các chất phản ứng) chảy qua thiết bị ống dòng theo dòng chảy đặn liên tục Thực ra, thiết bị ống dịng xảy khuấy trộn dịng chảy, nhiên thiết phải khơng có khuấy trộn dọc theo chiều chuyển động dòng chảy Điều kiện cần đủ cho thiết bị phản ứng kiểu ống dòng thời gian lưu (residence time) thiết bị la phần tử dòng chảy Trong thiết bị ống dòng, dòng chất có giống nhiệt độ nồng độ theo chiều dọc Nồng độ nhiệt độ điểm ống không đổi theo thời gian Thiết bị ống dòng lý tưởng gọi thiết bị phản ứng tĩnh khơng đồng nồng độ chất điểm khác theo hướng trục ống không Về phương diện kỹ thuật thùng khuấy lý tưởng tạo nên với tốc độ xác mong muốn Tuy nhiên ống dịng có khả đạt gần đến trang thái lý tưởng Qua ống dịng lý tưởng xem xét khơng có trộn lẫn nguyên tố thể tích nạp vào ống tốc độ dịng tồn mặt cắt ống khơng đổi Chúng ta có sơ đồ đơn giản thiết bị phản ứng dạng ống hình vẽ bên Từ biểu diễn phụ thuộc nồng độ tác chất xét vào chiều dài thiết bị phản ứng đường cong liên tục giảm dần từ đầu vào đến đầu thiết bị Sơ đồ đơn giản thiết bị phản ứng dạng ống: Về phương diện động học, mơ tả thiết bị phản ứng dạng ống theo sơ đồ sau: Ưu điểm: - Xử lý thể tích lớn - Trong thời gian phản ứng, thiết bị ống dòng cho sản phẩm đầu tốt thiết bị khuấy trộn làm việc gián đoạn Nhược điểm: - Khó kiểm sốt nhiệt độ hình thành gadient nhiệt độ không mong muốn - Giá thành bảo dưỡng cao so với thiết bị khuấy liên tục Với ưu nhược điểm trên, kỹ thuật ống dòng thường ứng dụng vào số trường hợp sau: - Hệ phản ứng lớn - Phản ứng đòi hỏi xảy nhanh - Phản ứng đồng thể dị thể - Phản ứng xảy nhiệt độ cao - Sản xuất liên tục II.1.1.2 Tính tốn thiết bị ống dịng  Cân vật chất Đối với cấu tử A: Lượng chất A vào = Lượng chất A + Lượng chất A phản ứng + Lượng chất A tích lũy Xét vi phân thể tích dV thể tích thiết bị phản ứng: Lượng chất A vào (mol/đơn vị thời gian): FA0 Lượng chất A (mol/đơn vị thời gian): FA + dFA Lượng chất A chuyển hóa (mol/đơn vị thời gian): (–rA)dV – Do đó: FA = (FA + dFA) + (–rA)dV → – dFA = (–rA)dV – Mặt khác: dFA = d[FA0( – XA)] = – FA0 dXA → FA0 dXA = (–rA)dV → = – Tích phân vế phương trình thời gian lưu biểu kiến: 10  Phản ứng bất thuận nghịch bậc 2: A → Sản phẩm; (-rA) = k.CA =  n Phản ứng bậc n: A → Sản phẩm; (-rA) = k.CA =  Khi thể tích phản ứng V thay đổi Do đặc điểm phản ứng có hội để khỏi phản ứng, không phụ thuộc vào việc phần thể tích thiết bị phản ứng bao lâu, nên thời gian thực không phần tử trường hợp đưa khái niệm thời gian lưu trung bình Thơng số thời gian lưu trung bình tính tốn theo quy trình sau: Ta có: Tốc độ dịng thể tích vào thiết bị phản ứng: Tốc độ dịng thể tích thiết bị phản ứng: = = Như trường hợp tốc độ dịng thể tích vào thiết bị phản ứng khác Đối với thiết bị khuấy liên tục dịng chất khỏi thiết bị thể trạng thái bên toàn thiết bị dùng để xác định thời gian lưu trung bình Như vậy: V= V0(1+ XA) Thời gian lưu trung bình: = = 17 =  Đối với phản ứng bậc không: = : A → Sản phẩm; (-rA) = k =  Đối với phản ứng bậc bất thuận nghịch: = : A → Sản phẩm; (-rA) = k.CA = Mà CA= CA = CA0 = = Ví dụ: Một phản ứng đồng thể pha lỏng có phương trình phản ứng phương trình tốc độ sau: A → R; (-rA) = k.CA2 Khi phản ứng tiến hành thiết bị IMR tích V độ chuyển hóa phản ứng 50% a) Độ chuyển hóa phản ứng phản ứng tiến hành thiết bị phản ứng IMR tích lần thiết bị IMR ban đầu b) Độ chuyển hóa phản ứng phản ứng tiến hành thiết bị phản ứng PFR tích thể tích thiết bị IMR ban đầu Đáp án a) , V=Const Ta có : 18 Khi thể tích thiết bị phản ứng tăng lần b) Do thiết bi bị IMR ban đầu PFR tích nên II.2 Thiết bị phản ứng gián đoạn II.2.1 Thiết bị khuấy lý tưởng gián đoạn BR (Batch reactor) II.2.1.1 Đặc điểm thiết bị Là loại thiết bị phản ứng làm việc theo mẻ khơng có dịng vào dịng Các chất phản ứng ban đầu đưa vào bình khuấy trộn nhiệt độ xác định, sau khoảng thời gian định lấy toàn sản phẩm nạp tiếp nguyên liệu đầu vào cho mẻ khác Hỗn hợp phản ứng khuấy trộn tốt đến mức thành phần hỗn hợp điểm Thành phần hỗn hợp phản ứng thay đổi theo thời gian tiến hành phản ứng phản ứng đạt đến trạng thái cân Loại thiết bị đơn giản, cần thiết bị phụ trợ, sử dụng tốt cho nghiên cứu thực nghiệm quy mô nhỏ động học loại phản ứng Loại thiết bị thực tế áp dụng lượng nhỏ chất phản ứng sử 19 dụng, chất phản ứng tương đối đắt tiền hiệu suất tốt chi phí cơng trình rẻ CAo CA t Thiết bị khuấy trộn lý tưởng gián đoạn Đồ thị biến đổi nồng độ chất tham gia phản ứng (độ chuyển hóa chúng) thay đổi theo thời gian: CA CA t=0 t=0 C Ao t1 C Ao t1 t2 t t2 CA1 (b) (b) (a) x A2 Sự biến đổi nồng độ hệ khuấy Ctrộn gián đoạn (a) – theo thời gian; (b) – theo không gian Phương trình (9) biểu diễn thời gian t cần thiết để hệ phản ứng đạt độ chuyển hóa XA Từ mơ hình tính tốn đặc điểm thiết bị khuấy trộn gián đoạn có: Ưu điểm hệ BR: - Thiết bị đơn giản, cần thiết bị phụ trợ, linh hoạt sử dụng - Chất lượng sản phẩm đầu tốt (Xem thêm :1.1.1.1) Nhược điểm hệ BR: 20 ... nghệ hóa học Với việc sâu tìm hiểu đặc đi? ??m tính tốn thiết bị …….(hồn thiện sau) Đề tài: Thiết bị phản ứng kỹ thuật môi trường I I.1 I.1.1   Phân loại thiết bị phản ứng Các cách phân loại thiết. .. ĐẦU Thiết bị phản ứng thiết bị trọng tâm đa số trình biến đổi hóa học Người ta định nghĩa thiết bị phản ứng thiết bị mà xảy phản ứng hóa học, nghĩa thiết bị để chuyển hóa chất tham gia phản ứng. .. phương thức làm việc - Thiết bị phản ứng gián đoạn - Thiết bị phản ứng liên tục - Thiết bị phản ứng bán liên tục  Theo đi? ??u kiện nhiệt - Thiết bị phản ứng đẳng nhiệt - Thiết bị phản ứng đoạn nhiệt