Thiết bị phản ứng refoming xúc tác 70 Trang 5 Mở đầu Trong những năm 50 của thế kỷ trớc, ngay từ khi vừa đợc khai thác, dầu mỏ đã nhanh chóng trở thành nguồn năng lợng cực kỳ quan
Công nghệ Platrefoming 14
Sơ đồ công nghệ quá trình reforming 14
Hình 1.2 Sơ đồ công nghệ quá trình reforming xúc tác cố định
1, 6, 10 thiết bị trao đổi nhiệt;
2 Lò ống có 3 buồng đốt;
8 Thiết bị phân ly áp suất cao;
9 Thiết bị phân ly áp suất thÊp;
15 Thiết bị ngng tụ làm lạnh;
Quá trình reforming sử dụng phân đoạn naphten đã được sấy khô và làm sạch, kết hợp với khí hydro từ máy nén Sau khi qua các thiết bị trao đổi nhiệt, hỗn hợp được nạp vào lò đốt nóng và các reactor từ thứ 1 đến thứ 3, thường là 4 lò Sản phẩm sau lò được xử lý qua các thiết bị trao đổi nhiệt, đốt nóng và làm lạnh, giữ ở nhiệt độ 38°C sau khi qua thiết bị ngưng tụ Không khí ngưng tụ được tách ra và phần lớn khí này được nén và tuần hoàn lại lò reforming, trong khi phần còn lại được sử dụng để thu hồi H2 Sản phẩm đáy từ thiết bị tách được đẩy qua thiết bị đốt nóng, trong khi sản phẩm đỉnh được dẫn sang thiết bị ngưng tụ, nơi các hợp chất được tách ra và sản phẩm lỏng được hồi lưu bằng bơm.
Xăng reforming ổn định ở đáy đợc cho qua thiết bị trao đổi nhiệt rồi qua thiết bị làm lạnh, sau đó vào bể chứa [6]
Chế độ công nghệ của quá trình
Trong quá trình reforming xúc tác, bốn thông số công nghệ quan trọng cần chú ý bao gồm nhiệt độ, tốc độ nạp liệu riêng LHSV, áp suất và tỷ lệ mol H2/RH của nguyên liệu.
Khi nhiệt độ trong quá trình reforming xúc tác tăng, hiệu suất xăng ổn định, nhưng hàm lượng hydro trong khí tuần hoàn giảm, trong khi hàm lượng hydrocarbon thơm và chỉ số octan của xăng lại tăng lên Đồng thời, sự gia tăng nhiệt độ cũng dẫn đến việc cốc bám trên xúc tác tăng Ngoài ra, nhiệt độ cao thúc đẩy phản ứng hydrocracking, làm tăng nhanh hiệu suất sản phẩm khí nhẹ như propan, etan và izobutan.
Khi tăng nhiệt độ trong quá trình reforming xúc tác, cần lưu ý vấn đề tạo cốc, do đó việc chọn nhiệt độ phải kết hợp với các thông số công nghệ khác Ngoài ra, chất lượng nguyên liệu và xúc tác cũng cần được xem xét, thường chỉ giữ ở mức nhiệt độ đảm bảo yêu cầu về trị số octan mà không cần cao hơn.
Quá trình reforming xúc tác chủ yếu diễn ra qua các phản ứng tăng thể tích, trong đó nổi bật là phản ứng dehydro hóa naphten thành hydrocarbon thơm, với 1 mol naphten tạo ra 3 mol H2, dẫn đến tổng thể tích hydrocarbon tăng lên 4 lần Bên cạnh đó, phản ứng dehydro vòng hóa parafin cho thấy 1 mol nguyên liệu sản sinh ra 4 mol H2, làm cho tổng thể tích hydrocarbon tăng lên 5 lần so với thể tích ban đầu.
Theo quan điểm nhiệt động học, việc tăng áp suất sẽ hạn chế quá trình gia tăng thể tích, từ đó cản trở các phản ứng chính trong việc tạo ra hyđrocacbon thơm trong quá trình reforming xúc tác.
Khi tăng độ khắt khe của quá trình sản xuất, việc làm việc ở áp suất hyđro thấp có thể nâng cao trị số octan và hiệu suất xăng, đồng thời giảm lượng khí thải và tăng nồng độ hyđro trong khí Tuy nhiên, tốc độ tạo cốc lại tăng, dẫn đến giảm thời gian hoạt động của xúc tác và tăng tần số tái sinh xúc tác Để giảm sự tạo cốc trong quá trình sản xuất, cần hạ nhiệt độ sôi cuối của nguyên liệu xuống 160°C, vì phần nặng chứa các thành phần đa vòng dễ gây ngưng tụ và tạo cốc.
∗ Tốc độ nạp liệu riêng thể tích hay thời gian tiếp xúc (thời gian phản ứng):
Khi tăng lượng nguyên liệu hoặc giảm lượng xúc tác trong lò phản ứng, tốc độ nạp liệu riêng thể tích sẽ tăng, kéo theo thời gian tiếp xúc của nguyên liệu với xúc tác giảm, dẫn đến thời gian phản ứng ngắn hơn Điều này làm tăng hiệu suất xăng nhưng cũng gia tăng hàm lượng khí hydro trong khí tuần hoàn, đồng thời giảm hiệu suất hydrocacbon nhẹ do tốc độ phản ứng hydrocracking và hydrobenlyse bị giảm Chất lượng xăng sẽ đạt cực đại khi tốc độ nạp liệu riêng tiếp tục tăng, vì thời gian tiếp xúc ngắn khiến sản lượng hydrocacbon thơm giảm, chỉ có phản ứng dehydro hóa các naphten xảy ra Tuy nhiên, nếu tốc độ nạp liệu vượt quá giá trị tối ưu, hiệu suất xăng sẽ tăng nhưng trị số octan của xăng lại giảm, đồng thời làm giảm áp suất hơi bão hòa của xăng.
Tốc độ nạp liệu thể tích thường duy trì trong khoảng 1,2 đến 2 h-1 Việc giảm tốc độ nạp liệu thể tích có thể dẫn đến giảm độ chọn lọc của quá trình, làm giảm hiệu suất xăng và hydro trong khí tuần hoàn, đồng thời tăng lượng cốc bám trên xúc tác.
∗ Tỷ lệ hyđro trên nguyên liệu (H 2 /RH)
Tỷ lệ mol hyđro trong khí tuần hoàn so với mol nguyên liệu trong quá trình reforming xúc tác có sự biến động lớn tùy thuộc vào mục đích của quá trình Áp suất hyđro đóng vai trò quan trọng trong việc ngăn chặn sự hình thành cốc Tỷ lệ á mol H2/RH xác định nồng độ hyđrocacbon trong khu vực phản ứng Tỷ lệ mol H2 được duy trì ổn định nhờ vào việc nạp khí chứa hyđro từ quá trình phản ứng để tuần hoàn lại.
Tỷ số tuần hoàn khí chứa hyđro được xác định bởi các yếu tố như thành phần phân đoạn của nguyên liệu, độ khắt khe của quá trình, và trị số octan của sản phẩm xăng.
Tỷ số mol H2(N) đợc tính chuyển qua đại lợng bội số tuần hoàn khí chứa hyđro (W, m 3 /m 3 nguyên liệu) theo biểu thức:[6]
Trong đó: ρ: Mật độ nguyên liệu
[H2]: Nồng độ hyđro trong khí tuần hoàn, [%mol]
M: Khối lợng trung bình mol của nguyên liệu
I 3.3 Nguyên liệu và sản phẩm của quá trình reforming xúc tác
∗ Nguyên liệu của quá trìmh reforming xúc tác:
Ngời ta thờng dùng phân đoạn xăng chất lợng thấp có khoảng sôi từ
Trong ngành công nghiệp chế biến dầu mỏ, quá trình reforming sử dụng nguyên liệu có nhiệt độ sôi từ 62 đến 180 độ C để tạo ra các cấu tử có trị số octan cao cho xăng Cụ thể, phân đoạn sôi từ 85 đến 180 độ C được sử dụng để sản xuất xăng chất lượng cao Để thu được các hyđrocacbon thơm riêng biệt, người ta áp dụng nguyên liệu từ các phân đoạn hẹp hơn: 62-105 độ C cho việc sản xuất benzen và toluen, trong khi phân đoạn 105-140 độ C được dùng để sản xuất xylen.
Quá trình reforming xúc tác chủ yếu sử dụng phân đoạn xăng từ chưng cất trực tiếp dầu thô Bên cạnh đó, có thể áp dụng phân đoạn xăng có trị số octan thấp từ các quá trình reforming nhiệt, vibreaking hoặc các quá trình hóa học khác.
Thành phần cất của nguyên liệu ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất và chất lượng sản phẩm Nếu nhiệt độ sôi của thành phần cất quá rộng và chứa nhiều thành phần nhẹ, hiệu suất và chất lượng xăng sẽ bị giảm.
Nguyên liệu thuận lợi nhất cho quá trình sản xuất các cấu tử có trị số octan cao (NO = 100) là phân đoạn sôi từ 105 - 140 0 C hay phân đoạn 105 -
Tại nhiệt độ 180 °C, việc tăng trị số -octan của xăng sẽ dẫn đến giảm hiệu suất của xăng Quá trình reforming xúc tác không chỉ bị ảnh hưởng bởi thành phần cất mà còn bởi thành phần hóa học của nguyên liệu Nguyên liệu chứa các hợp chất như parafin, naphten, hyđrocacbon thơm và các hợp chất phi hyđrocacbon như oxy, nitơ, lưu huỳnh Nếu hàm lượng naphten, đặc biệt là xyclohexan và các dẫn xuất của nó, cao, phản ứng dehydro hóa sẽ diễn ra triệt để, dẫn đến hàm lượng hyđrocacbon thơm cao hơn Ngược lại, nếu nguyên liệu chứa nhiều parafin, phản ứng dehydro vòng hóa sẽ chỉ tạo ra một lượng nhỏ hyđrocacbon thơm, trong khi phần lớn parafin tham gia vào phản ứng isome hóa và hyđrocracking, làm giảm hiệu suất H2 do tiêu hao H2 cho phản ứng này Do đó, thành phần hóa học của nguyên liệu trong điều kiện reforming xúc tác sẽ quyết định hiệu suất H2 tạo ra, với hiệu suất H2 cao hơn khi hàm lượng parafin thấp, đặc biệt là với xúc tác thế hệ cũ.
Các hyđrocacbon thơm thường có mặt với tỷ lệ nhỏ trong nguyên liệu, đặc biệt là trong phân đoạn xăng cất trực tiếp Chúng có ảnh hưởng tiêu cực đến tốc độ của các phản ứng dehydro hóa và dehydro vòng hóa, gây cản trở cho những phản ứng này Do đó, nếu mục tiêu của quá trình là sản xuất hyđrocacbon thơm, việc tách riêng hyđrocacbon thơm khỏi nguyên liệu là cần thiết.
Xúc tác reforming 20
Xúc tác đa chức được sử dụng trong quá trình reforming bao gồm cả chức năng oxy hóa khử và chức năng axit Chức năng oxy hóa khử đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy các phản ứng, đặc biệt là thông qua cơ chế ion cacboni, góp phần vào quá trình đồng phân hóa và hyđrocracking.
∗ Bản chất của xúc tác reforming
Vào năm 1940, quá trình reforming đầu tiên đã được thực hiện với chất xúc tác oxytmolipden trên oxyt nhôm, nổi bật với ưu điểm là chi phí thấp, dễ sản xuất và bền vững trước tác động của lưu huỳnh Tuy nhiên, oxytmolipden có hoạt tính không cao và nhanh chóng cần tái sinh do cốc hình thành trên bề mặt Do đó, vào năm 1949, xúc tác Pt/Al2O3 đã được giới thiệu, mang lại hoạt tính cao, độ chọn lọc tốt và ổn định vượt trội so với molipden Xúc tác Pt cho phép thực hiện quá trình trong điều kiện khắt khe hơn, đạt hiệu quả tốt với trị số octan cao và thời gian sử dụng lâu dài, đồng thời giảm thiểu lượng cốc tạo ra.
Xúc tác refo ming gồm hai thành phần chính: r
- ChÊt mang cã tÝnh axit
Chất mang có thể là oxit nhôm hoặc hỗn hợp Al3O3 - SiO2, với độ axit được xác định bởi quy trình xử lý đặc biệt nhằm tách nước bề mặt Quy trình này tạo ra bề mặt riêng lớn lên đến 400 m²/g và hình thành các tâm axit, đóng vai trò quan trọng trong xúc tác của Cat.Forming.
Chất mang có thể là γ-Al2O3 hoặc η-Al2O3 với diện tích bề mặt khoảng 250 m²/g, được bổ sung các hợp chất halozen như flo, clo hoặc hỗn hợp của chúng Độ axit của chất mang tăng khi hàm lượng halozen tăng, nhưng nên kiểm soát hàm lượng này ở mức khoảng 1% so với xúc tác để tránh phân hủy mạnh Halozen được đưa vào xúc tác trong quá trình chế tạo hoặc tái sinh xúc tác, thường áp dụng cho các loại xúc tác Platforming hay ProCatalyse Kích thước hạt xúc tác khoảng 2 mm với bề mặt riêng là 200 m²/g.
Platin thường được sử dụng trong xúc tác reforming, đặc biệt là dưới dạng dung dịch axit platin clohyđric H2(PtCl6) Với khả năng hoạt hóa vượt trội cho phản ứng dehydro-hydrogen hóa, platin tăng tốc độ phản ứng khử hydro của các hydrocarbon naphten và khử hydro vòng hóa hydrocarbon parafin để tạo ra hydrocarbon thơm Ngoài ra, platin còn thúc đẩy quá trình no hóa các hợp chất trung gian như olefin và điolefin, từ đó làm giảm sự hình thành cốc bám trên xúc tác, nguyên nhân chính gây giảm hoạt tính Hàm lượng platin trong xúc tác thường dao động từ 0,3 đến 0,7% khối lượng, và chất lượng tốt của xúc tác reforming được đánh giá qua độ hoạt tính cao, độ chọn lọc cao và độ ổn định tốt.
Một xúc tác reforming hiệu quả cần phải tăng tốc độ phản ứng cơ bản và hạn chế các phản ứng phụ, đặc biệt là phản ứng tạo cốc Tỷ số giữa phản ứng tạo cốc và tổng số phản ứng cơ bản phải ở mức tối thiểu Để tăng tốc độ phản ứng cơ bản, có thể điều chỉnh nhiệt độ hoặc giảm tốc độ nạp liệu, nhưng hoạt tính của xúc tác là yếu tố quan trọng nhất Việc tăng nhiệt độ hay thay đổi điều kiện công nghệ chỉ có thể hạn chế một phần nhỏ các phản ứng phụ Các phản ứng tạo hydrocarbon thơm và các phản ứng như izome hóa hay hydrocracking là chính, tạo ra các cấu tử có trị số octan cao và áp suất hơi bão hòa thấp, phù hợp cho việc pha trộn xăng chất lượng cao Giảm tốc độ tạo cốc giúp xúc tác hoạt động lâu dài và ổn định hơn Do đó, trong quá trình chế tạo xúc tác reforming, cần điều chỉnh tương quan giữa các chức năng của xúc tác để đạt được độ chọn lọc mong muốn, được đánh giá thông qua biểu thức R.
R = đehyđro vòng hóal hyđrocracking + hyđroizome hóa + đehđro vòng hoa
Giá trị của R càng lớn thì độ chọn lọc của xúc tác càng cao, do đó việc cân bằng giữa hai chức năng của xúc tác là rất quan trọng trong chế tạo xúc tác reforming Độ hoạt tính của xúc tác được đánh giá qua hiệu suất và chất lượng sản phẩm reformat ổn định trong quá trình Độ hoạt tính chủ yếu phụ thuộc vào hàm lượng kim loại Pt và độ phân tán của nó trên chất mang axit Nghiên cứu cho thấy, các hạt phân tán có kích thước nhỏ hơn 10Å là các tâm hoạt tính mạnh, trong khi kích thước lớn hơn 70Å thì xúc tác không còn hoạt tính với các phản ứng cơ bản của reforming Để điều chỉnh mối quan hệ giữa hai chức năng của xúc tác, Pt nên chiếm 1% bề mặt chất mang Các chỉ tiêu cơ bản để đánh giá chất lượng xúc tác bao gồm hiệu suất xăng ổn định, trị số octan cao, hiệu suất hydrocarbon thơm, thành phần sản phẩm khí và thời gian làm việc của xúc tác.
Bắt đầu từ những năm 1960, các dây chuyền reforming đã được thiết kế với áp suất hydro thấp nhất, giúp gia tăng lượng hydrocarbon thơm, nâng cao trị số octan và hiệu suất xăng Tuy nhiên, điều này cũng làm tăng tần suất tái sinh xúc tác, rút ngắn thời gian giữa các lần tái sinh Song song với việc thay đổi chế độ công nghệ, nghiên cứu về hệ xúc tác mới đã được thúc đẩy, với sự phát triển của xúc tác đa kim loại, trong đó Pt là kim loại cơ bản, kèm theo các kim loại khác như iridi, cadmi để tăng cường hoạt tính và độ bền.
* Vai trò của xúc tác trong khi cải tiến quá trình refroming
Quá trình hiện đại hóa công nghệ reforming ở các nước phát triển trong ngành dầu mỏ bao gồm các giai đoạn chế tạo xúc tác mới hiệu quả cao, cải tiến trang thiết bị và công nghệ Xúc tác đa kim loại có ưu điểm nổi bật là tốc độ trơ hóa thấp hơn so với xúc tác đơn kim loại, cho phép giảm áp suất quá trình xuống còn 1,4 đến 1,5 Mpa với dây chuyền xúc tác cố định và 0,5 đến 1 Mpa với dây chuyền xúc tác chuyển động Việc giảm áp suất làm tăng độ chọn lọc của xúc tác, đặc biệt khi chế biến nguyên liệu có hàm lượng hydrocarbon parafin cao, góp phần vào phản ứng dehydro vòng hóa parafin, từ đó tạo ra 50 đến 60% hydrocarbon thơm từ quá trình chuyển hóa parafin Kết quả là trị số octan của sản phẩm xăng rất cao, đạt RON>100.
Các xúc tác đa kim loại giúp giảm tốc độ tạo cốc và phản ứng phụ, đồng thời giảm thiểu phản ứng phân hủy Điều này gia tăng hiệu quả của phản ứng dehydro vòng hóa parfin, từ đó nâng cao hiệu suất và chất lượng xăng, cũng như tăng cường hiệu suất của hydrocarbon thơm.
Xúc tác đa kim loại có nhược điểm chính là nhạy cảm với các hợp chất lưu huỳnh, nitơ và hơi nước, đồng thời hoạt động hiệu quả ở áp suất rất thấp Do đó, nguyên liệu cần được hyđro hóa làm sạch để loại bỏ tạp chất có hại Nghiên cứu công nghệ Reforming xăng nặng là một trong những mục tiêu của luận văn này Nhiệm vụ chính của luận văn là lập và giải mô hình toán, cũng như tính toán thiết bị phản ứng xúc tác dị thể cho quá trình Reforming xăng nặng.
Chơng 2 Mô hình hóa và tính toán thiết bị phản ứng cho các hệ dị thể
Công nghiệp hóa học đã có những bước tiến quan trọng, với khả năng tính toán thiết kế và tối ưu hóa quy trình sản xuất ngày càng được cải thiện Đồng thời, chúng ta cũng nâng cao khả năng chế tạo và gia công thiết bị trên các máy công cụ hiện đại.
Triển khai các phản ứng hoá học dị thể trong sản xuất công nghiệp gặp nhiều thách thức phức tạp Để xây dựng hệ thống thiết bị phản ứng dị thể hiệu quả, cần đáp ứng các yêu cầu về công nghệ, đảm bảo thiết bị hoạt động ổn định và có năng suất cao Điều này đòi hỏi cơ sở lý thuyết tính toán chính xác, công cụ thiết kế thiết bị tối ưu và khả năng gia công chế tạo phù hợp.
Nghiên cứu lý thuyết cơ sở của các nhà khoa học không ngừng mở rộng, phục vụ cho tính toán công nghệ và thiết kế thiết bị Đồng thời, việc mô hình hóa tối ưu các quá trình sản xuất công nghệ cũng đang được triển khai mạnh mẽ.
II.1.các thiết bị phản ứng xúc tác dị thể điển hình trong công nghiệp hoá học:
Thiết bị phản ứng xúc tác dị thể đang trở thành một phần thiết yếu trong ngành công nghiệp hóa học hiện đại Chúng được sử dụng rộng rãi trong các quy trình công nghệ như tổng hợp Amoniac, tổng hợp metanol, oxy hóa SO2 và cracking xúc tác các hydrocarbon dầu mỏ Vai trò của thiết bị này là không thể thiếu trong sản xuất công nghiệp, với hai loại chính được phân loại.
- Thiết bị phản ứng có lớp xúc tác tĩnh
- Thiết bị phản ứng có lớp xúc tác chuyển động
Thiết bị phản ứng có lớp xúc tác tĩnh 26
* Thiết bị phản ứng có 1 buồng xúc tác:
Thiết bị được mô tả trong Hình 2.1 có cấu tạo cơ bản với nhược điểm là nhiệt độ phân bố không đồng đều trên tiết diện ngang của lớp xúc tác Nguyên nhân chính dẫn đến vấn đề này là do quá trình truyền nhiệt trong các lớp hạt diễn ra kém hiệu quả.
Hình 2.1: Thiết bị phản ứng có 1 buồng xúc tác
Thiết bị phản ứng có xúc tác kiểu ống chùm được phát triển để khắc phục nhược điểm của các thiết bị truyền thống bằng cách chia lớp xúc tác thành nhiều ống khác nhau Chiều cao và đường kính của ống xúc tác được thiết kế dựa trên thời gian lưu và hiệu ứng nhiệt của phản ứng hóa học Đường kính ống nhỏ hơn giúp tối ưu hóa quá trình trao đổi nhiệt, tránh tình trạng quá nhiệt cục bộ có thể gây tắc ống Loại thiết bị này được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp, đặc biệt trong sản xuất VC và VA từ Acetylen.
Nhược điểm của thiết bị này là khó khăn trong việc loại trừ ảnh hưởng của công nghệ đến các ống xúc tác khi có sự thay đổi về các yếu tố công nghệ Điều này khiến thiết bị trở nên nhạy cảm với biến động công nghệ, dẫn đến việc điều khiển trở nên phức tạp.
Hình 2.2 Thiết bị phản ứng có xúc tác kiểu ống chùm::
* Thiết bị phản ứng có nhiều lớp xúc tác:
Thiết bị này được thiết kế để khắc phục nhược điểm của thiết bị xúc tác ống chùm, cho phép mỗi lớp xúc tác hoạt động ở chế độ xác định Người sử dụng có thể điều chỉnh nhiệt độ của lớp xúc tác tĩnh bằng khí trơ hoặc bằng chính môi chất phản ứng Cấu trúc cơ bản của thiết bị được trình bày trong Hình 2.3.
Hiện nay, việc chế tạo thiết bị phản ứng với lớp xúc tác hướng kính đã giúp gia tăng tiết diện dòng chảy, từ đó kéo dài thời gian tiếp xúc giữa chất phản ứng và xúc tác, nâng cao năng suất của thiết bị.
Hình 2.3: Thiết bị phản ứng có nhiều lớp xúc tác II.1.2 Thiết bị phản ứng có lớp xúc tác chuyển động:
* Thiết bị phản ứng có lớp xúc tác chuyển động cỡng bức:
Một dạng của loại thiết bị này có cấu tạo đặc trng nh đợc mô tả trong H×nh 2.4:
Hình 2.4: Thiết bị phản ứng có lớp xúc tác chuyển động cỡng bức
* Thiết bị phản ứng tầng sôi:
Hệ thống thiết bị cracking dầu mỏ (FCC) là một ví dụ tiêu biểu của thiết bị phản ứng xúc tác dị thể lớp sôi Sơ đồ hoạt động và cấu tạo cơ bản của hệ thống này được mô tả rõ ràng trong Hình 2.5.
Hình 2.5: Thiết bị phản ứng có lớp xúc tác tầng sôi
II.2 phơng trình cân bằng chất và cân bằng nhiệt trong thiết bị phản ứng dị thể lớp tĩnh
Trong sản xuất công nghiệp và nghiên cứu, việc tính toán và thiết kế thiết bị phản ứng là một thách thức phức tạp Các nhà thiết kế dựa vào lý thuyết đã
Để tính toán thiết bị phản ứng xúc tác dị thể lớp tĩnh, cần áp dụng phương trình cân bằng chất với giả thiết mô hình giả đồng thể Điều này có nghĩa là phản ứng được coi là xảy ra trên bề mặt phân chia giữa các pha nhũ và không gian liên tục.
Vận tốc hiệu dụng của phản ứng được xác định bằng cách tính vận tốc của phản ứng trong một đơn vị thể tích của môi trường giả đồng thể.
( )reff ρ 1 = ( )reff ms ρ p ( 1 − ε ) (2.1) Trong đó:
Vận tốc phản ứng được tính trên một đơn vị khối lượng xúc tác trong môi trường giả đồng thể Khối lượng riêng của lớp xúc tác được xác định bởi công thức ρ₁ = ρb (1 - ε), trong đó ρb là khối lượng riêng biểu kiến của lớp xúc tác, bao gồm cả độ xốp của nó Công thức tính ρb là ρb = m hat / V hat.
Mô hình giả đồng thể có thể được áp dụng khi kích thước tương đương của phần tử rắn nhỏ hơn nhiều so với kích thước của thiết bị.
Các phản ứng dị thể xúc tác lớp tĩnh thường có hình dạng hình trụ, do đó, chúng ta cần thiết lập phương trình cân bằng chất trong hệ tọa độ trụ.
Xuất phát từ phơng trình bảo toàn dòng vật chất tổng quát của Damkoehler cho một cấu tử Ai: [3,4,5] t
(2.2)Phơng trình cân bằng chất đợc viết lại trong hệ tọa độ trụ: t
Với hệ chỉ có một phản ứng ta có: [3]
Xem nh wR ≈0: vận tốc dòng chảy theo hớng kính ≈0 và khả năng đó là rất có thể xảy ra
Vận tốc dòng theo hướng trục được ký hiệu là w’, trong khi hệ số khuếch tán theo hướng trục và theo hướng kính lần lượt được ký hiệu là D’Z và D’R Các hệ số này được tính cho toàn bộ tiết diện của dòng, cụ thể là trong trường hợp ống rỗng, với công thức: w' = ε.
D Z = D Z ' ε ; D R ' = D R ' ε Với ε là phần không gian tự do của lớp vật liệu rắn
Khi quá trình ổn định t
∂ ≡0 thì phơng trình (2.3) viết lại là:
+ v i (r eff ) ms ρ b (1- ε ) (2.6) Các điều kiện biên của bài toán:
∂ = 0; với ∀Z≥ tại R = 0 và R = R0 (điều kiên biên đối xứng)
Với R0: Bán kính của lớp xúc tác Để giải bài toán ta sử dụng các biến không thứ nguyên
Với L: Chiều dài thiết bị (ống xúc tác)
Khi đó phơng trình cân bằng trở thành:
Pe ' = w ' ' : ChuÈn sè Peclet theo híng trôc dp: Đờng kính tơng đơng của phần tử rắn
: ChuÈn sè Peclet theo híng kÝnh
R đặc trng cho ảnh hởng của quá trình khuấy trộn theo hớng kính và số hạng * 2
Quá trình khuấy trộn theo hướng trục có ảnh hưởng đặc trưng đến cân bằng chất trong hệ thống Khi không xem xét các yếu tố khuấy trộn theo hướng kính và theo hướng trục, phương trình cân bằng chất sẽ được đơn giản hóa, tạo điều kiện thuận lợi cho việc phân tích và tối ưu hóa quy trình.
Hay dZ w C d( i ) ( ) r b L eff ms ( 1 ) i ρ ε ν − (2.9) dZ w C d( i )
Nhân vế trái với q ta có: qdZ = w C d q ( i )
Với hệ một phản ứng ta có:
Phương trình (2.14) mô tả cân bằng chất trong thiết bị phản ứng xúc tác dị thể lớp tĩnh, tập trung vào một phản ứng cụ thể mà không xem xét tác động của các yếu tố khuấy trộn dọc trục và hướng kính.
II 2.2 Phơng trình cân bằng nhiệt: