Thiết bị phản ứng trong kỹ thuật môi trường

MỤC LỤC MỞ ĐẦU 2 I. Phân loại thiết bị phản ứng 2 1.1. Các cách phân loại thiết bị phản ứng 3 1.1.1. Theo pha của hệ 3 1.1.2. Điều kiện tiến hành quá trình 3 1.2. Phân loại thiết bị phản ứng theo phương thức làm việc 3 1.3. Các khái niệm cơ bản 5 1.3.1. Các khái niệm liên quan đến thiết bị phản ứng 5 1.3.2. Phương trình động học của các phản ứng hóa học 8 II. Một số thiết bị phản ứng cơ bản. 8 2.1. Thiết bị phản ứng liên tục 9 2.1.1. Thiết bị ống dòng PER (Plug flow reactor) 9 2.1.1.1. Đặc điểm thiết bị 9 2.1.1.2. Tính toán trong thiết bị ống dòng 11 2.1.2. Thiết bị khuấy lý tưởng liên tục IMR 15 2.1.2.1. Đặc điểm thiết bị 15 2.1.2.2. Tính toán trong thiết bị khuấy lý tưởng liên tục 16 2.2. Thiết bị phản ứng gián đoạn 20 2.2.1. Thiết bị khuấy lý tưởng gián đoạn BR (Batch reactor) 20 2.2.1.1. Đặc điểm thiết bị 20 2.2.1.2. Tính toán trong thiết bị khuấy lý tưởng gián đoạn 22 2.3. So sánh các thiết bị phản ứng đơn giản 25 2.3.1. So sánh các thiết bị phản ứng đơn giản 25 2.3.2. Các bài toán ví dụ 26 2.4. Hệ nhiều thiết bị phản ứng 29 2.4.1. Dãy thiết bị phản ứng nối tiếp (Hệ cascade) 29 2.4.2. Dãy thiết bị PFR mắc nối tiếp 33 2.4.3. Hệ thống gồm các thiết bị IMR và PFR 35 KẾT LUẬN 36 TÀI LIỆU THAM KHẢO 38 1 Đề tài: Thiết bị phản ứng trong kỹ thuật môi trường MỞ ĐẦU Thiết bị phản ứng là các thiết bị trọng tâm của đa số các quá trình biến đổi hóa học. Người ta định nghĩa thiết bị phản ứng là thiết bị mà trong đó xảy ra các phản ứng hóa học, nghĩa là các thiết bị để chuyển hóa các chất tham gia phản ứng thành các sản phẩm hóa học. Trong quy mô công nghiệp, quy trình sản xuất hoặc xử lý hóa chất tạo ra các sản phẩm mong muốn với yêu cầu về hiệu quả và chi phí tốt nhất luôn là bài toán khó đối với đơn vị thực hiện. Do đó việc nghiên cứu tìm hiểu sâu sắc một số thiết bị phản ứng sẽ giúp chúng ta có được tầm nhìn tốt để lựa chọn giải pháp tối ưu trước khi bắt tay vào quy trình hoạt động. Để đáp ứng yêu cầu đó, nhóm thực hiện tìm hiểu đề tài về một số thiết bị phản ứng trong kỹ thuật môi trường. Mặc dù các thiết bị và hệ thiết bị trong tài liệu đưa ra là các mô hình lý tưởng và đơn giản nhưng chúng luôn luôn là điểm khởi đầu khi nghiên cứu để mô tả các điều kiện trong một hệ thống lò phản ứng, điều này là nền tảng vững chắc để từ đó nghiên cứu ứng dụng sâu hơn vào các điều kiện thực tế. Mỗi thiết bị phản ứng được trình bày rõ theo cách phân loại, đặc điểm cơ bản và cách tính toán trong mỗi thiết bị, kèm theo đó là các ví dụ minh họa giúp hiểu rõ hơn bản chất và một phần nào đó ứng dụng của thiết bị. Những kiến thức cơ bản này sẽ giúp chúng ta thiết kế được hệ thống thiết bị sao cho đạt hiệu quả nhất trong thực tế. I. Phân loại thiết bị phản ứng 7

MỤC LỤC

1.2 Phân loại thiết bị phản ứng theo phương thức làm việc 3

1.3.1 Các khái niệm liên quan đến thiết bị phản ứng 5

Đề tài: Thiết bị phản ứng trong kỹ thuật môi trường

MỞ ĐẦU

Thiết bị phản ứng là các thiết bị trọng tâm của đa số các quá trình biến đổi hóa học Người ta định nghĩa thiết bị phản ứng là thiết bị mà trong đó xảy ra các phản ứng hóa học, nghĩa là các thiết bị để chuyển hóa các chất tham gia phản ứng thành các sản phẩm hóa học

Trong quy mô công nghiệp, quy trình sản xuất hoặc xử lý hóa chất tạo ra các sản phẩm mong muốn với yêu cầu về hiệu quả và chi phí tốt nhất luôn là bài toán khó đối với đơn vị thực hiện Do đó việc nghiên cứu tìm hiểu sâu sắc một số thiết bị phản ứng sẽ giúp chúng ta có được tầm nhìn tốt để lựa chọn giải pháp tối ưu trước khi bắt tay vào quy trình hoạt động Để đáp ứng yêu cầu đó, nhóm thực hiện tìm hiểu đề tài về một số thiết bị phản ứng trong kỹ thuật môi trường Mặc dù các thiết bị và hệ thiết bị trong tài liệu đưa ra là các mô hình lý tưởng và đơn giản nhưng chúng luôn luôn là điểm khởi đầu khi nghiên cứu để mô tả các điều kiện trong một hệ thống lò phản ứng, điều này là nền tảng vững chắc để từ đó nghiên cứu ứng dụng sâu hơn vào các điều kiện thực tế Mỗi thiết bị phản ứng được trình bày rõ theo cách phân loại, đặc điểm cơ bản và cách tính toán trong mỗi thiết bị, kèm theo đó là các ví dụ minh họa giúp hiểu rõ hơn bản chất và một phần nào

đó ứng dụng của thiết bị Những kiến thức cơ bản này sẽ giúp chúng ta thiết kế được hệ thống thiết bị sao cho đạt hiệu quả nhất trong thực tế

I.1 Các cách phân loại thiết bị phản ứng

I.1.1 Theo pha của hệ

• Theo bản chất pha : thiết bị phản ứng pha khí, lỏng hoặc rắn ;

• Theo số pha :

- Thiết bị phản ứng một pha (đồng thể) : pha khí hoặc 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 hoặc pha phân tán

I.1.2 Điều kiện tiến hành quá 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 3 loại:

• Thiết bị phản ứng gián đoạn

Định nghĩa:

Là là thiết bị phản ứng làm việc theo từng mẻ, nghĩa là các thành phần tham gia phản ứng và các chất phụ gia (dung môi, chất trơ) hoặc các chất xúc tác được đưa tất cả vào thiết bị ngay từ thời điểm đầu Sau thời gian nhất định, khi phản ứng đã đạt được độ chuyển hóa yêu cầu, người ta cho dừng thiết bị và tháo sản phẩm ra

Nhược điểm :

- Năng suất thấp do thời gian một chu kỳ làm việc dài : đòi hỏi thời gian nạp liệu, đốt nóng, làm nguội, tháo sản phẩm và làm sạch thiết bị

- Mức độ cơ giới hóa và tự động hóa thấp

- Khó điều chỉnh và khống chế quá trình do tính bất ổn định của phương thức làm việc gián đoạn

- Mức độ gây độc hại hoặc nguy hiểm đối với người sản xuất cao hơn do mức độ tự động hóa thấp, người công nhân phải tiếp xúc nhiều hơn với các hóa chất

Phạm vi ứng dụng :

- Chỉ thích hợp với các phân xưởng năng suất nhỏ

- Phục vụ cho mục đích sản xuất nhiều loại sản phẩm khác nhau trong cùng một thiết bị

• Thiết bị phản ứng liên tục

Định nghĩa :

Là thiết bị mà trong đó các chất tham gia phản ứng được đưa liên tục vào thiết bị

và sản phẩm cũng được lấy ra liên tục Sau thời gian khởi động thì nhiệt độ, áp suất, lưu lượng và nồng độ các chất tham gia phản ứng không thay đổi theo thời gian, thiết bị làm việc ở trạng thái ổn định

Ưu điểm :

- Có khả năng cơ giới hóa và tự động hóa cao

- Năng suất cao do không tốn thời gian nạp liệu và tháo sản phẩm

- Chất lượng sản phẩm ổn định do tính ổn định của quá trình

I.3 Các khái niệm cơ bản

I.3.1 Các khái niệm liên quan đến thiết bị phản ứng [5]

Tốc độ nạp nguyên liệu FAo:

Là lượng nguyên liệu được nạp vào phản ứng trong một đơn vị thời gian, kí hiệu FAo

(mol/phút)

Tốc độ dòng thể tích nạp liệu :

Là thể tích được nạp vào thiết bị phản ứng trong một đơn vị thời gian (lít/phút)

Nồng độ nguyên liệu ban đầu CAo

Là nồng độ của nguyên liệu ban đầu đưa vào thiết bị phản ứng (mol/lít)

Mối quan hệ giữa FAo, , CAo

V: Thể tích thiết bị phản ứng

= Khái niệm độ chuyển hóa

Để thuận tiện cho việc theo dõi và nghiên cứu những tính toán trong các thiết bị

phản ứng người ta đưa ra các khái niệm như sau:

Độ chuyển hóa XA: là đại lượng thể hiện tỷ lệ chất A đã chuyển hóa thành sản phẩm

Với X A : là độ chuyển hóa của cấu tử A (X A = 0 ÷ 1)

N AO : số mol A ban đầu

N A : số mol A tại thời điểm xem xét

• Khi thể tích phản ứng không thay đổi V= const

CA = CAo(1-XA)

• Khi thể tích hỗn hợp phản ứng thay đổi

Sự phụ thuộc của thể tích hỗn hợp phản ứng vào độ chuyển hóa là một sự phụ thuộc tuyến

tính: V= V0(1+ XA) (3)

trong đó là hệ số thay đổi thể tích, là một hệ số cố định với một phản ứng xác định

Hệ số thay đổi thể tích ( ε A ) của một phản ứng hóa học nhất định được định nghĩa

x

x xV

V V

(4)

Ví dụ 2: Trong hỗn hợp đầu chứa 50% A và 50%I

Vd3: Trong hỗn hợp ban đầu chứa 75%A và 25% I

I.3.2 Phương trình động học của các phản ứng hóa học [8]

Các phương trình động học mô tả mối quan hệ định lượng giữa nồng độ của các chất phản ứng và thời gian trong các phản ứng bậc khác nhau

Xét phương trình động học phản ứng bậc 1bất thuận nghịch:

Phương trình phản ứng có dạng : AC

Phương trình động học có dạng : r = kCA

Trong đó: r : tốc độ phản ứng, đơn vị: mol/(thể tích x thời gian)

k: hằng số tốc độ phản ứng, đơn vị (thời gian)-1

ABA+H2O B

rA = - kCA

rA = - kCA

k: 1/hk: 1/h2

2

Bất thuận nghịchBất thuận nghịch

II Một số thiết bị phản ứng cơ bản.

Trong phần này chúng ta giải quyết các vấn đề cơ bản của tính toán thiết bị phản ứng bằng cách nghiên cứu các mô hình thiết bị phản ứng lý tưởng Chúng luôn luôn là

biệt là liên quan đến pha trộn Pha trộn có ý nghĩa quan trọng bởi vì nó ảnh hưởng đến nồng độ trong hệ thống, do đó ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng hóa học Ở đây, chúng tôi

sẽ chỉ xem xét ở mức độ trộn vĩ mô, không có chuyển động khuếch tán ở mức độ phân tử Dựa trên những khía cạnh đó có ba mô hình thiết bị phản ứng lý tưởng được xem xét.[8]

II.1 Thiết bị phản ứng liên tục

Đối với dạng thiết bị này, ta phân thành 2 loại cơ bản:

II.1.1 Thiết bị ống dòng PER (Plug flow reactor)

II.1.1.1 Đặc điểm thiết bị [1,2,3,4]

Trong thiết bị phản ứng kiểu này dòng chất phản ứng chảy theo một dòng chảy đều dặn dọc theo ống phản ứng, do đó xem như không có sự khuếch tán dọc theo dòng chảy và không có sự khác nhau về tốc độ đối với bất kỳ điểm nào của dòng chảy Điều này có nghĩa là vật chất (các chất phản ứng) chảy qua thiết bị ống dòng này theo một dòng nhất chảy đều đặn và liên tục Thực ra, đối với thiết bị ống dòng có thể xảy ra sự khuấy trộn dòng chảy, tuy nhiên nhất thiết phải không có sự khuấy trộn dọc theo chiều chuyển động của dòng chảy Điều kiện cần và đủ cho thiết bị phản ứng kiểu ống dòng là thời gian lưu (residence time) trong thiết bị la như nhau đối với các phần tử của dòng chảy

Trong thiết bị ống dòng, dòng chất có sự giống nhau về nhiệt độ và nồng độ theo chiều dọc Nồng độ và nhiệt độ tại một điểm của ống là không đổi theo thời gian Thiết bị ống dòng lý tưởng còn được gọi là thiết bị phản ứng tĩnh và không đồng nhất vì nồng độ chất ở các điểm khác nhau theo hướng trục ống là không bằng nhau

Về phương diện kỹ thuật thùng khuấy lý tưởng có thể tạo nên được với tốc độ chính xác mong muốn Tuy nhiên đối với ống dòng thì chỉ có khả năng đạt gần đến trang thái lý tưởng Qua đó ống dòng lý tưởng được xem xét như là không có sự trộn lẫn giữa các nguyên tố thể tích kế tiếp nhau nạp vào ống và tốc độ dòng trên toàn bộ mặt cắt của ống là không đổi

Chúng ta có sơ đồ đơn giản của thiết bị phản ứng dạng ống như hình vẽ bên dưới

Từ đó có thể biểu diễn sự phụ thuộc của nồng độ tác chất được xét vào chiều dài của thiết bị phản ứng là một đường cong liên tục và giảm dần từ đầu vào đến đầu ra của thiết

bị

Sơ đồ đơn giản của thiết bị phản ứng dạng ống:

Về phương diện động học, chúng ta có thể mô tả thiết bị phản ứng dạng ống theo sơ đồ sau:

Ưu điểm:

- Xử lý được thể tích lớn

- Trong cùng một thời gian phản ứng, thiết bị ống dòng cho sản phẩm đầu ra tốt như thiết

bị khuấy trộn làm việc gián đoạn

Nhược điểm:

- Khó kiểm soát nhiệt độ và có thể hình thành các gadient nhiệt độ không mong muốn

- Giá thành bảo dưỡng cao hơn so với thiết bị khuấy liên tục

Với các ưu và nhược điểm trên, kỹ thuật ống dòng thường được ứng dụng vào một

Đối với một cấu tử A:

Lượng chất A đi vào = Lượng chất A đi ra + Lượng chất A đã phản ứng + Lượng chất A tích lũy

Xét trong vi phân thể tích dV của thể tích thiết bị phản ứng:

Lượng chất A đi vào (mol/đơn vị thời gian): F A0

Lượng chất A đi ra (mol/đơn vị thời gian): F A + dF A

Lượng chất A được chuyển hóa (mol/đơn vị thời gian): (–r A )dV

−

– Tích phân 2 vế phương trình trên được thời gian lưu biểu kiến:

Khi thể tích phản ứng thay đổi

A → R

Biết rằng nồng độ của chất A ban đầu là CAo= 2mol/l và phương trình phản ứng lên men

chất A ở nồng độ enzym trên như sau:

II.1.2 Thiết bị khuấy lý tưởng liên tục IMR

II.1.2.1 Đặc điểm thiết bị [1,2,3]

Đặc trưng của thiết bị khuấy trộn lý tưởng liên tục là liên tục tiếp nguyên liệu cho tất cả các cấu tử tham gia phản ứng và đồng thời sản phẩm cũng lấy ra liên tục Hỗn hợp phản ứng được khuấy trộn đều đến mức thành phần tại mọi điểm trong khối hỗn hợp phản ứng là như nhau và khi hệ phản ứng đạt đến trạng thái ổn định thì thành phần đó cũng không thay đổi theo thời gian Thành phần của hỗn hợp phản ứng tại lối ra của thiết bị cũng đúng bằng thành phần hỗn hợp phản ứng ở trong thiết bị phản ứng Điều này có ý nghĩa là yếu tố thể tích V trong các phương trình cân bằng có thể lấy là thể tích V của thiết bị

Người ta giả sử rằng ở đầu vào của thiết bị phản ứng , nồng độ của các chất giảm một cách đột ngột và đúng bằng nồng độ của mọi điểm trong toàn bộ thể tích của thiết bị

và nồng độ của sản phẩm ra Ta có thể biểu diễn sự thay đổi nồng độ của tác chất từ đầu vào đến đầu ra của thiết bị là một đường gấp khúc như sau :

Từ đặc điểm và mô hình tính toán, nhận thấy: thiết bị có ưu điểm hơn so với thiết

bị khuấy trộn làm việc gián đoạn ở chỗ chất lượng đầu ra của sản phẩm đồng đều hơn Sản phẩm lấy ra một cách liên tục, không mất thời gian chuẩn bị phản ứng giữa các mẻ nên thiết bị được ứng dụng cho các yêu cầu cần làm việc liên tục

Tuy nhiên, để có chất lượng tốt như thiết bị khuấy gián đoạn thì thời gian phản ứng của thiết bị khuấy trộn liên tục sẽ lớn hơn Cũng có nghĩa là trong cùng một thời gian phản ứng, thiết bị khuấy trộn liên tục cho sản phẩm đầu ra có chất lượng kém hơn thiết bị khuấy trộn gián đoạn

II.1.2.2 Tính toán trong thiết bị khuấy lý tưởng liên tục [5,6]

Phương trình cân bằng vật chất cho thiết bị khuấy lý tưởng liên tục

Tốc độ A nạp vào = Tốc độ A thoát ra + Tốc độ chuyển hóa A

V

Lượng chất A chuyển hóa (mol/đơn vị thời gian): (– r A ).V

Ta có: F Ao = F A + (– r A ).V

→ F Ao = F Ao ( 1 – X A ) + (– r A ).V

→ C Ao

• 0

r

X C

Đối với phản ứng bậc không: A → Sản phẩm; (-rA) = k

Thay vào phương trình * ta có

τ

=

• 0

=

Phản ứng bậc n: A → Sản phẩm; (-rA) = k.CAn

=

Khi thể tích phản ứng V thay đổi

Do đặc điểm mỗi phản ứng đều có cơ hội như nhau để ra khỏi phản ứng, không

phụ thuộc vào việc phần thể tích đó đã ở trong thiết bị phản ứng bao lâu, nên thời gian

thực là không như đối với mỗi phần tử trong trường hợp này có thể đưa ra khái niệm thời

gian lưu trung bình

Thông số thời gian lưu trung bình có thể được tính toán theo quy trình sau:

Ta có:

Tốc độ dòng thể tích đi vào thiết bị phản ứng:

• 0

F

Như vậy trong trường hợp này tốc độ dòng thể tích đi ra và đi vào thiết bị phản

ứng là khác nhau Đối với thiết bị khuấy liên tục thì dòng chất ra khỏi thiết bị thể hiện

trạng thái bên trong toàn bộ thiết bị và do đó được dùng để xác định thời gian lưu trung

V

) 1

( εA X A

τ+

Đối với phản ứng bậc không: : A → Sản phẩm; (-rA) = k

τ V

Đối với phản ứng bậc 1 bất thuận nghịch: : A → Sản phẩm; (-rA) = k.CA

Do thiết bị IMR ban đầu và PFR có thể tích bằng nhau 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 [1,2,3,4]

Là loại thiết bị phản ứng làm việc theo từng mẻ không có dòng vào dòng ra Các chất phản ứng ban đầu được đưa vào trong bình và khuấy trộn đều tại một nhiệt độ xác định, sau khoảng thời gian nhất định lấy toàn bộ sản phẩm ra và nạp tiếp nguyên liệu đầu vào cho mẻ khác

Hỗn hợp phản ứng được khuấy trộn tốt đến mức thành phần hỗn hợp tại mọi điểm

là như nhau Thành phần hỗn hợp phản ứng thay đổi theo thời gian tiến hành phản ứng cho đến khi phản ứng đạt đến trạng thái cân bằng

Loại thiết bị này đơn giản, ít cần các thiết bị phụ trợ, do đó được sử dụng rất tốt cho các nghiên cứu thực nghiệm quy mô nhỏ về động học của các loại phản ứng Loại

dụng, hoặc chất phản ứng tương đối đắt tiền vì hiệu suất tốt hơn và chi phí công trình rẻ hơn.

Thiết bị khuấy trộn lý tưởng gián đoạn

Đồ thị sự biến đổi nồng độ các chất tham gia phản ứng (độ chuyển hóa của chúng) thay đổi theo thời gian:

Sự biến đổi nồng độ của hệ khuấy trộn 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 được độ chuyển

hóa X A

Từ mô hình tính toán và đặc điểm của thiết bị khuấy trộn gián đoạn có:

Ưu điểm của hệ BR:

t = 0

t 2

C A

(b) x (b)

- Thiết bị đơn giản, cần ít các thiết bị phụ trợ, linh hoạt khi sử dụng.

- Chất lượng của sản phẩm đầu ra tốt (Xem thêm :1.1.1.1)

Nhược điểm của hệ BR:

- Chất lượng sản phẩm đầu ra không đồng đều giữa các mẻ

- Cần nhiều thời gian chuẩn bị giữa các mẻ Do đó không phù hợp với yêu cầu làm việc cho sản phẩm đầu ra liên tục

II.2.1.2 Tính toán trong thiết bị khuấy lý tưởng gián đoạn[5,6]

Phương trình cân bằng vật chất:

Tốc độ A nạp vào = Tốc độ A thoát ra + Tốc độ chuyển hóa A + Tốc độ tích lũy A

Tốc độ tích lũy A = - Tốc độ chuyển hóa A

Trong đó tốc độ tích lũy A: Sự thay đổi số mol chất A theo thời gian

Tích phân t để đạt độ chuyển hóa mong muốn:

Mà

Khi thể tích phản ứng không thay đổi

Khi thể tích phản ứng thay đổi

Đối với phản ứng bậc không: A → Sản phẩm; (-rA) = k

−

11

Ví dụ: Cho phản ứng đồng thể, pha lỏng AR+S ; (-rA) = k.CA

Sau thời gian t=10 phút thì độ chuyển hóa XA=50% trong thiết bị phản ứng gián đoạnHỏi sau bao lâu thì độ chuyển hóa A đạt XA=75% Cho V= const

Đáp án: do V=const

(-r ) = k.C = kC (1-X )

Khi t=10 thì XA=0,5

Khi XA=0,75 thì

II.3 So sánh các thiết bị phản ứng đơn giản

II.3.1 So sánh các thiết bị phản ứng đơn giản [5]

Điều kiện Thiết bị khuấy lý tưởng

gián đoạn

Thiết bị ống dòng Thiết bị khuấy lý tưởng

liên tục IMRV=const

XA=

τ

=

• 0

V

V

=

=