Nghiên cứu động học của phản ứng chuyển hóa cacbon bằng hơi nước để tối ưu hóa thiết kế lò hoạt hóa cacbon

Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học LỜI CẢM ƠN Để hoàn thiện chƣơng trình thực tốt luận văn tốt nghiệp, tác giả nhận đƣợc giúp đỡ, hƣớng dẫn nhiệt tình quý Thầy, Cô Viện Kỹ thuật Hóa học, Đại học Bách Khoa Hà Nội đặc biệt Thầy, Cô Bộ môn Máy Thiết bị Công nghiệp Hóa chất Với đề tài "Nghiên cứu động học phản ứng chuyển hóa cacbon nước để tối ưu hóa thiết kế lò hoạt hóa cacbon", tác giả xin chân thành cảm ơn Thầy giáo hƣớng dẫn TS Phạm Ngọc Anh giành thời gian tâm huyết để hƣớng dẫn tác giả thực tốt luận văn tốt nghiệp Đồng thời tác giả xin cảm ơn Thầy, Cô Viện Kỹ thuật Hóa học đặc biệt thầy cô dạy hƣớng dẫn tác giả thời gian tác giả học trƣờng, tạo điều kiện tốt để tác giả học tập hoàn thiện tốt khóa học Tác giả xin cảm ơn gia đình bạn lớp 13B-KTHH tạo điều kiện, giúp đỡ tác giả trình học tập hoàn thành tốt luận văn Tác giả: Nguyễn Công Quý Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng Các số liệu kết nghiên cứu luận văn trung thực không trùng lặp với đề tài khác, trừ phần tham khảo đƣợc nêu rõ luận văn Tác giả: Nguyễn Công Quý Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH DANH MỤC BẢNG MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU THAN HOẠT TÍNH 10 1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN 10 1.2 CÁC ĐẶC TRƢNG CƠ BẢN CỦA THAN HOẠT TÍNH 13 1.2.1 CÁC ĐẶNG TRƢNG CƠ HỌC 13 1.2.2 CÁC ĐẶC TRƢNG HÓA LÝ 14 1.2.3 CẤU TRÚC TINH THỂ CỦA THAN HOẠT TÍNH 14 1.2.4 CẤU TRÚC XỐP CỦA THAN HOẠT TÍNH 15 1.3 PHÂN LOẠI THAN HOẠT TÍNH 18 1.3.1 PHÂN LOẠI THEO MISEC 18 1.3.2 PHÂN LOẠI THEO MECLENBUA 19 1.4 ỨNG DỤNG CỦA THAN HOẠT TÍNH 21 CHƢƠNG 2: CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT THAN HOẠT TÍNH 25 2.1 NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT THAN HOẠT TÍNH 25 2.2 CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT THAN HOẠT TÍNH 26 2.2.1 QUÁ TRÌNH CACBON HÓA 26 2.2.2 QUÁ TRÌNH HOẠT HÓA 26 2.3 MỘT SỐ SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT THAN HOẠT TÍNH 37 CHƢƠNG 3: ĐỘNG HỌC PHẢN ỨNG CHUYỂN HÓA CACBON BẰNG HƠI NƢỚC 39 Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học 3.1 LÝ THUYẾT ĐỘNG HỌC PHẢN ỨNG 39 3.1.1 PHƢƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC, BẬC PHẢN ỨNG CỦA NHỮNG PHẢN ỨNG ĐỒNG THỂ 39 3.1.2 ĐỘNG HỌC CÁC QUÁ TRÌNH HÓA HỌC DỊ THỂ 45 3.1.3 PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH PHƢƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC CỦA PHẢN ỨNG HÓA HỌC 47 3.2 ĐỘNG HỌC PHẢN ỨNG CHUYỂN HÓA CACBON BẰNG HƠI NƢỚC 48 CHƢƠNG MÔ HÌNH HOÁ ĐỘNG HỌC PHẢN ỨNG CHUYỂN HOÁ CACBON BẰNG HƠI NƢỚC 60 4.1 XỬ LÝ CÁC KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM, TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ VÀ THIẾT LẬP MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC 60 4.2 SƠ ĐỒ THUẬT TOÁN XÁC ĐỊNH BẬC PHẢN ỨNG α VÀ HẰNG SỐ k0 63 4.3 KẾT QUẢ TÍNH TOÁN 64 CHƢƠNG TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHẢN ỨNG CHUYỂN HOÁ CACBON BẰNG HƠI NƢỚC 65 5.1 SƠ ĐỒ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ 65 5.2 THUYẾT MINH LƢU TRÌNH CÔNG NGHỆ 66 5.3 TÍNH CÂN BẰNG NHIỆT 67 5.3.1 TỔNG NHIỆT CẤP VÀO 68 5.3.2 TỔNG NHIỆT TIÊU HAO 73 5.4 TÍNH CÂN BẰNG CHẤT 79 5.4.1 THIẾT LẬP PHƢƠNG TRÌNH CÂN BẰNG CHẤT 79 5.4.2 TỐC ĐỘ CHUYỂN HOÁ THAN GÁO DỪA 82 5.4.3 THỜI GIAN PHẢN ỨNG 84 5.4.4 TÍNH SƠ BỘ CHIỀU DÀI LÒ 84 5.4.5 SỐ VÒNG QUAY CỦA LÒ 85 KẾT LUẬN 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO 87 Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT BET Brunauer-Emmett-Teller ch Chuyển hóa CNSX Công nghệ sản xuất hh Hỗn hợp hp Hấp phụ kk Không khí kl Khói lò Tối thiểu n Nƣớc nl Nguyên liệu nlv Nguyên liệu vào p/u Phản ứng tt Tổn thất WHO Tổ chức Y tế Thế giới Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học DANH MỤC CÁC HÌNH Trang 1.1 Cấu trúc graphit cacbon 13 2.1 Sơ đồ khối công đoạn sản xuất than hoạt tính 25 2.2 Thiết bị hoạt hóa lớp tĩnh 32 2.3 Thiết bị hoạt hóa tầng sôi 33 2.4 Thiết bị hoạt hóa lò quay 34 2.5 CNSX cacbon hoạt tính theo phƣơng pháp hoạt hóa hóa học ZnCl2 35 2.6 CNSX cacbon hoạt tính theo phƣơng pháp hoạt hóa hóa học nƣớc 36 2.7 CNSX cacbon hoạt tính từ nguyên liệu than antraxit 36 3.1 Mô hình lớp vỏ không phản ứng 48 4.1 Sơ đồ thuật toán xác định bậc phản ứng 4.2 Vận tốc chuyển hóa cacbon trung bình thí nghiệm chuyển hóa số k0 nƣớc nhiệt độ 800oC, 850oC, 900oC 4.3 61 64 Vận tốc chuyển hóa cacbon trung bình thí nghiệm chuyển hóa CO2 nhiệt độ 820oC, 860oC, 915oC 64 4.4 Sơ đồ thuật toán xác định bậc phản ứng 65 5.1 Sơ đồ công nghệ sản xuất than hoạt tính từ gáo dừa số k0 67 Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học DANH MỤC BẢNG Trang 3.1 Hoạt hóa cacbon nƣớc 800oC 55 3.2 Hoạt hóa cacbon nƣớc 850oC 56 3.3 Hoạt hóa cacbon nƣớc 900oC 57 Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Than hoạt tính ngày đƣợc nghiên cứu ứng dụng rộng rãi tất lĩnh vực Chính vậy, để nâng cao suất, ta cần phải nghiên cứu động học phản ứng chuyển hóa cacbon, đặc biệt phản ứng chuyển hóa cacbon nƣớc với ƣu điểm Trên hết, từ việc tìm mô hình động học phản ứng, ta ứng dụng để thiết kế, chế tạo lò hoạt hóa cacbon Mục đích nghiên cứu Trên sở nghiên cứu lý thuyết động học phản ứng chuyển hóa cacbon nƣớc, xây dựng mô hình động học phản ứng ứng dụng để thiết kế lò hoạt hoá cacbon Cơ sở khoa học ý nghĩa thực tiễn đề tài Cơ sở khoa học đề tài: tiến hành nghiên cứu động học phản ứng chuyển hóa carbon nƣớc: C + H2O Ý nghĩa thực tiễn: sở nghiên cứu động học phản ứng chuyển hóa carbon nƣớc xây dựng mô hình động học phản ứng sở ứng dụng để thiết kế lò hoạt hóa carbon Nội dung đề tài Nội dung đề tài, vấn đề cần giải quyết: nghiên cứu lý thuyết động học phản ứng chuyển hóa cacbon nƣớc, từ đó, xây dựng mô hình động học phản ứng chuyển hóa carbon nƣớc, ứng dụng thiết kế lò hoạt hoá cacbon, cuối phân tích thảo luận kết đạt đƣợc Cấu trúc luận văn Luận văn gồm chƣơng: - Chƣơng 1: Tổng quan vật liệu than hoạt tính - Chƣơng 2: Công nghệ sản xuất than hoạt tính Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học - Chƣơng 3: Động học phản ứng chuyển hóa cacbon nƣớc - Chƣơng 4: Tính toán mô hình hóa động học phản ứng chuyển hóa cacbon - Chƣơng 5: Tính toán thiết bị chuyển hóa cacbon nƣớc Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU THAN HOẠT TÍNH 1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN Cacbon hoạt tính chất hấp phụ, không cực, chứa 8598% cacbon, tuỳ theo điều kiện sản xuất, phần lại tro vô Than hoạt tính có khả hấp phụ giữ lại bề mặt lƣợng lớn chất khí, hay chất tan Chúng đƣợc sử dụng từ lâu đời với mục đích chất hấp phụ trình phân tách, trình làm hệ khí hệ lỏng, đồng thời chúng đƣợc dùng nhƣ chất xúc tác chất mang xúc tác trình hoá học xúc tác dị thể Hiện nay, ngành công nghiệp hoá học, công nghiệp thực phẩm, công nghiệp dƣợc phẩm…chất hấp phụ đƣợc sử dụng với lƣợng lớn với mục đích tẩy màu, tẩy mùi, làm khô hỗn hợp chất, thu hồi dung môi quý, làm chất xúc tác, làm chất mang chất xúc tác… Trong chất hấp phụ rắn than hoạt tính có vị trí quan trọng phạm vi sử dụng rộng rãi nhất, than hoạt tính có khả giữ khí, nhƣ chất tan tốt Chính tƣợng hấp phụ bền mặt chất rắn đƣợc phát lần than gỗ Từ thời xa xƣa, ngƣời chƣa biết đến hấp phụ than gỗ không đƣợc sử dụng làm chất đốt mà đƣợc sử dụng y học để điều trị số bệnh dày đƣờng ruột Hiện tƣợng hấp phụ không đƣợc ngƣời biết đến năm 1785, viện sĩ hàn lâm khoa học Nga nhận thấy than gỗ tẩy màu đƣợc nhiều dung dịch đề nghị đƣợc dùng sản xuất axit lactric tinh thể Khi đó, tài liệu hấp phụ xuất Đến năm 1793, Kenso biết sử dụng than gỗ để khử mùi hôi vết thƣơng 10 Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học Nhiệt dầu FO cấp vào lò Trong trình vận chuyển dầu FO đƣờng ống, để giảm trở lực đƣờng ống ngƣời ta giảm độ nhớt dầu cách gia nhiệt cho dầu Vì vậy, dầu đƣợc phun vào lò mang theo lƣợng nhiệt định Lƣợng nhiệt đƣợc xác định theo công thức: QFO(v) = GFO.Cp(FO).tFO(v) Trong đó: (5.3.7) GFO lƣợng dầu FO cấp vào lò (kg/h) (kJ/kgoC) Cp(FO) nhiệt dung riêng dầu FO tFO(v) nhiệt độ dầu FO vào lò, tFO(v) = 50oC Nhiệt dung riêng dầu FO với mác dầu số ta có: Cp(FO) = 2,09 (kJ/kgoC) Thay số vào công thức (5.3.7) ta có: QFO(v) = GFO.2,09.50 = 104,5.GFO (kJ/h) 5.3.2 TỔNG NHIỆT TIÊU HAO Nhiệt thu vào phản ứng chuyển hoá Trong trình chuyển hoá, theo giả thiết có phản ứng xảy phản ứng: C + H2O = CO + H2 - ∆H1 (kJ/mol) (1) Nhiệt thu vào trình chuyển hoá đƣợc xác định: Qch = nC ∆H1 Trong đó: (kJ/h) nC số mol carbon, nC = (5.3.8) = 6,7 ∆H1 hàm nhiệt phản ứng (1), ∆H1 = 117 (kmol/h) (kJ/mol) Thay giá trị vào biểu thức (5.3.8) ta đƣợc: Qch = 6.7.103.117 = 783900 (kJ/h) Nhiệt khói lò mang Khói lò khỏi lò hoạt hoá mang theo lƣợng nhiệt Nhiệt lƣợng đƣợc xác định theo công thức sau: 73 Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học Qkl = Gkl.Cp(kl).tkl Trong đó: (5.3.9) Gkl khối lƣợng khói lò khỏi lò hoạt hoá Cp(kl) nhiệt dung riêng khói lò (kg/h) (kJ/kgoC) tkl nhiệt độ khói là, tkl = 700oC Khối lƣợng khói lò đƣợc xác định theo định luật bảo toàn khối lƣợng: Gkl = GFO + Gn + Gkk + GC(ch) Trong đó: GFO khối lƣợng dầu FO cấp vào lò (kg/h) Gn khối lƣợng nƣớc cấp vào lò (kg/h) Gkk khối lƣợng không khí cấp vào lò (kg/h) GC(ch) khối lƣợng Carbon chuyển hoá (kg/h) Vậy lƣợng khói lò là: Gkl = GFO + 241,072 + 1017,6 + 15,184.GFO + 80,357 = 1339,03 + 16,184.GFO (kg/h) Nhiệt dung riêng khói lò đƣợc xác định theo công thức: Cp(kl) = ∑ Cpi.xi (5.3.10) Sản phẩm khói lò bao gồm: CO2, H2O, N2, SO2, O2dƣ +) Toàn lƣợng Carbon dầu FO lƣợng carbon chuyển hoá tạo thành CO2 Do đó, lƣợng CO2 đƣợc xác định nhƣ sau: Số mol CO2 là: nCO2 = nC + nCO = GFO + 6.7 = 0,069.GFO + 6,7 (kmol/h) 74 Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học +) Lƣợng N2 không khí cấp vào không phản ứng nên lƣợng N2 khói lò lƣợng không khí chiếm 79% thể tích Vậy số mol N2 khói lò là: nN2 = 0,79nkk = 0,79.( 35,1 + 0,524.GFO) = 27,73 + 0,414.GFO (kmol/h) +) Toàn lƣợng S dầu FO bị oxy hoá thành SO2 Vậy số mol khí SO2 khói lò là: GFO = 8,75.10-4.GFO (kmol/h) nSO2 = nS = +) Lƣợng O2 dƣ lƣợng O2 lại sau phản ứng Vậy số mol O2 dƣ khói lò là: nO2du = 0,21.( α – ).nkk = 0,74 + 0,011.GFO (kmol/h) +) Lƣợng nƣớc khói lò lƣợng nƣớc cấp vào lƣợng nƣớc đốt H2 dầu FO sinh Vậy số mol nƣớc khói lò là: n H 2O = + GFO = 13,4 + 0,061.GFO (kmol/h) Tổng số mol thành phần khói lò là: ∑ nkl = 48,57 + 0,556.GFO (kmol/h) Do điều kiện nhiệt độ nên phần trăm thể tích phần trăm số mol Vậy thành phần theo thể tích khí khói lò là: 75 Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học xi = ni n Trong đó: xi thành phần cấu tử i hỗn hợp khói lò (%) ni số mol cấu tử i hỗn hợp khói lò (mol) Nhiệt dung riêng cấu tử đƣợc xác định theo công thức: Cp = a + b.T - c.T-2 (5.3.11) Trong đó: a, b, c số đƣợc tra theo bảng 1.142-[4] Với khí CO2 ta có: a = 2,349 ; b = 0,0006 ; c = 4,439.104 Thay số vào công thức (5.3.11) ta đƣợc : Cp(CO2) = 2,886 (kJ/kgoC) Tƣơng tự ta có: Cp(N2) = 2,728 (kJ/kgoC) Cp(SO2) = 2,004 (kJ/kgoC) Cp(O2) = 2,567 (kJ/kgoC) Cp(H2O) = 5,46 (kJ/kgoC) Thay số vào công thức (5.3.10) ta có nhiệt dung riêng hỗn hợp khói lò: Cp(kl) = ( 169,72 + 1,692.GFO )/( 48,57 + 0,556.GFO ) (kJ/kgoC) Thay số vào công thức (5.3.9) ta đƣợc lƣợng nhiệt khói lò mang là: Qkl = ( 1339,03 + 16,184.GFO ).Cp(kl).700 (kJ/h) 76 Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học Nhiệt lƣợng cần thiết để nâng nhiệt độ nƣớc lên 850℃ Nhiệt lƣợng cần cấp cho nƣớc đƣợc xác định theo công thức sau: Qn = Gn Cp(n) t Trong đó: ( kJ/h ) (5.3.12) Gn khối lƣợng nƣớc cấp vào lƣợng nƣớc dầu đốt sinh Gn = 241,072 + GFO.18 (kg/h) = 241,072 + 1,097.GFO (kg/h) Cp(n) nhiệt dung riêng nƣớc phụ thuộc nhiệt độ (kJ/kg℃) Nhiệt độ nƣớc vào 850℃ Vậy nhiệt dung riêng nƣớc đƣợc xác định theo công thức {11.27– tr250-[4]} Cp(n) = ( 0,436 + 0,0001190.t ) 4,187 (kJ/kg℃) Thay số ta đƣợc: Cp(n) = ( 0,436 + 0,0001190.850 ) 4,187 = 2,249 (kJ/kg℃) t nhiệt độ nƣớc, t = 850oC Thay số vào công thức (5.3.12) ta đƣợc kết quả: Qn = ( 241,072 + 1,097.GFO ).2,249.850 = 458934 + 2097.GFO (kJ/h) Nhiệt lƣợng cung cấp để nung nguyên liệu từ nhiệt độ 300℃ lên 850℃ Nhiệt lƣợng đƣợc xác định theo công thức: Qnl = Gnl.Cp(nl).t Trong đó: (kJ/h) (5.3.13) Gnl lƣợng nguyên liệu đƣa vào để chuyển hoá, Gnl = 267,857 (kg/h) Cp(nl) nhiệt dung riêng nguyên liệu, đƣợc xác định theo công thức {I.48-tr181-[4]} Cp(nl) = ( 837 + 3,7t + 625x ).10-3 (kJ/kg℃) Trong đó: t = 850℃ nhiệt độ nguyên liệu x = chất bốc nguyên liệu (%) 77 (5.3.14) Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học Thay số ta đƣợc : Cp(nl) = ( 837 + 3,7.850 + 625.0 ).10-3 = 3,982 (kJ/kg℃) t nhiệt độ nguyên liệu, t = 850oC Thay số vào công thức (5.3.13) ta đƣợc: Qnl = 267,857.3,982.850 = 906616 (kJ/h) Nhiệt lƣợng sản phẩm rắn mang Nhiệt lƣợng sản phẩm rắn mang đƣợc tính theo công thức: Qr = Gr.Cp(r).t Trong đó: (kJ/h) (5.3.15) Gr lƣợng sản phẩm sản xuất đƣợc giờ, Gr = 187,5 (kg/h) t nhiệt độ sản phẩm khỏi lò, ta chọn t = 700℃ Cp(r) nhiệt dung riêng sản phẩm rắn Cp(r) = ( 837 + 3,7t ).10-3 (kJ/kg℃) = ( 837 + 3,7.700 ).10-3 = 3,427 (kJ/kg℃) Thay số đƣợc: Qr = 187,5.3,427.700 = 449794 (kJ/h) Tính nhiệt tổn thất Lƣợng nhiệt tổn thất trình hoạt hoá lớn, việc tính toán tổn thất nhiệt thật chi tiết khó khăn phức tạp mà xác định đƣợc số tổn thất nhiệt Hầu hết tổn thất nhiệt đƣợc xác định thực nghiệm Đối với lò hoạt hoá than hoạt tính dạng lò quay tổn thất nhiệt gồm khoản chủ yếu sau : - Nhiệt mát dẫn nhiệt qua tƣờng vỏ lò - Nhiệt mát qua khe hở lò - Nhiệt mát qua cửa lò - Nhiệt mát tƣờng lò tích nhiệt - Nhiệt mát phản ứng cháy không hoàn toàn, nhiệt độ cao tạo thành phản ứng phân huỷ 78 Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học - Nhiệt lƣợng mát cháy không hoàn toàn hoá học Để tính toán nhiệt tổn thất cho đơn giản, ta lấy tổng nhiệt tổn thất cho toàn trình 3% tổng nhiệt phải cung cấp cho trình, ta có: Qtt = 0,03.ΣQcấp ( kJ/h ) (5.3.16) LƢỢNG DẦU FO CẦN ĐỐT TRONG MỘT GIỜ Theo phƣơng trình cân nhiệt ta có: ΣQcấp = ΣQtiêu hao Vậy ta có phƣơng trình cân sau: 8541,54.GFO2 – 327328.58.GFO – 92432169 = Giải phƣơng trình ta đƣợc nghiệm: GFO = 125 GFO = - 86,6 (loại) Vậy lƣợng dầu FO đốt để cung cấp đủ nhiệt cho trình hoạt hoá là: 125 (kg/h) 5.4 TÍNH CÂN BẰNG CHẤT 5.4.1 THIẾT LẬP PHƢƠNG TRÌNH CÂN BẰNG CHẤT Thiết bị phản ứng hoạt hóa than gáo dừa sản xuất than hoạt tính đƣợc dùng công nghiệp loại lò quay, than gáo dừa dòng khí tác nhân hoạt hóa nƣớc chiều hƣớng di chuyển than ( cấu tử ) di chuyển theo chiều trục Để tính toán thiết bị phản ứng ta sử dụng phƣơng trình cân chất hệ tọa độ trụ Gọi ρ C mật độ cấu tử Carbon vùng phản ứng Theo công thức {3.26–Tr.133–[2]}    ρC ωz    ρC ωR     2ρC ρC  M ρC  2ρC = - + +D +D +  z R   + νCj.rj.MC 2 t  z  R  z  R R  R   j=1   Trong đó: Dz, DR số khuyếch tán theo chiều trục theo bán kính R bán kính điểm xét 79 Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học rj vận tốc biến đổi cấu tử C (molC/gC.phút) MC khối lƣợng nguyên tử carbon Để giải phƣơng trình vi phân đầy đủ điều không thể, để đơn giản cho việc giải phƣơng trình cân chất ta có số giả thiết sau: - Khi trình hoạt hóa đạt trạng thái ổn định thì: ρ =0 t - Vật liệu than gáo dừa tham gia phản ứng dịch chuyển theo chiều trục, vậy:   CR  0 R - Trong thiết bị vật liệu không bị khuấy trộn ngƣợc theo chiều trục nên ta có: Dz  C 0 z - Trong thiết bị hiệu ứng khuyếch tán theo hƣớng kính nên ta có:   C C  DR   0  R R  R   - Trong thiết bị có phản ứng hóa học: C + H2O = CO + H2 nên ta có vận tốc chuyển hóa cấu tử carbon là: ν C r = - R C Nhƣ vậy, phƣơng trình cân chất cho cấu tử cacbon lại đơn giản nhƣ d ( C Z ) 0  RC C M C dz sau: eff Trong đó: C – Mật độ cấu tử cacbon không gian phản ứng, [kg/m3]; Z – Vận tốc dịch chuyển cacbon dọc theo trục lò, [m/phút]; RCeff _ Vận tốc chuyển hóa cấu tử cacbon, [kmolC/kgC.phút]; MC – Khối lƣợng mol cacbon, [kgC/kmol]; z – Tọa độ chiều trục thiết bị chuyển hóa, [m]; 80 Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học Mặt khác phải nhận thấy rằng, hệ phản ứng dị thể xẩy nội phần tử pha rắn vận tốc chuyển hóa cấu tử phải vận tốc chuyển hóa hiệu dụng Ta có: d  ρC ωz  = - R Ceff ρC MC dz  dz = - ωz dρ C R Ceff M C ρC Lấy tích phân phƣơng trình vi phân theo suất chiều dài lò ta có : L ρCE ρ0C  dz = -  ωz dρ C R Ceff M C ρC Ta nhận thấy rằng: Vận tốc biến đổi Carbon RCeff không đổi dọc theo chiều dài lò nồng độ nƣớc lò không đổi (do nƣớc tiêu hao phản ứng chuyển hoá có nhiêu nƣớc sinh phản ứng đốt cháy khí H2) Vận tốc dịch chuyển hạt than theo chiều trục ωz phụ thuộc vào góc nghiêng vận tốc quay lò, mà góc nghiêng vận tốc quay lò không đổi nên ωz không đổi  ρCE  ωz L = ln   R Ceff MC  ρ0C  Trong đó: = = 1- UC L chiều dài thiết bị (m) UC độ chuyển hóa cấu tử carbon ρ0C mật độ cấu tử carbon ban đầu (kg/m3) Thay vào ta có: L=- ln( ln(1-UC) = 81 ) Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học = = ln( ) (phút) Trong đó: τ ch thời gian phản ứng để đạt độ chuyển hóa theo yêu cầu (phút) 5.4.2 TỐC ĐỘ CHUYỂN HOÁ THAN GÁO DỪA Tốc độ chuyển hóa than gáo dừa hàm phụ thuộc vào nồng độ nƣớc Phƣơng trình động học đƣợc xây dựng thông qua thực nghiệm đƣợc biểu diễn biểu thức toán học nhƣ sau:  - ΔE  0,56 R Ceff = 72.exp   CH O  R.T  Trong đó: RCeff vận tốc hiệu dụng chuyển hóa carbon than gáo dừa tính đơn vị khối lƣợng carbon đem phản ứng (molC/gC.phút) ΔE lƣợng hoạt hóa phản ứng; ΔE = 96792 (J/mol) R = 8,314 (J/mol.0K) T nhiệt độ phản ứng; T = 850 + 273 = 1123 (K) C H 2O nồng độ nƣớc điều kiện làm việc (mol/l) Xác định nồng độ nƣớc Tổng số mol nƣớc trình hoạt hóa lƣợng nƣớc sinh trình đốt cháy khí H2, đốt cháy dầu FO lƣợng nƣớc cấp dƣ vào cho thiết bị Vậy tổng số mol nƣớc là: nΣ = 6,7 + + = 21.02 (kmol/h) Tổng số mol khói lò sản phẩm phản ứng cháy dầu FO, cháy khí CO, cháy khí H2 lƣợng nƣớc dƣ sau trình hoạt hóa Khi phản ứng chuyển hóa đạt trạng thái ổn định lƣợng nƣớc phản ứng hoạt hóa lƣợng nƣớc sinh từ phản ứng đốt cháy khí H2, coi lƣợng nƣớc không đổi Các phản ứng xảy trình chuyển hóa phản ứng chuyển hóa Carbon, phản ứng đốt cháy khí CO H2 sinh từ phản ứng chuyển hóa Carbon, phản ứng đốt cháy dầu FO Sản phẩm phản ứng chủ yếu CO2, H2O (hơi), N2 O2 dƣ 82 Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học C + H2O = CO + H2 (1) CO + O2 = CO2 (2) H2 + O2 = H2O (3) Tƣơng tự phần cân nhiệt tính, coi phản ứng cháy hoàn toàn ta có: +) Số mol CO2 hỗn hợp sản phẩm cháy: nCO2 = 6.7 + 0,069.125 = 15,325 (kmol/h) +) Số mol H2O hỗn hợp sản phẩm cháy: n H2O = 13,4 + 0,061.125 = 21,025 (kmol/h) +) Số mol N2 hỗn hợp sản phẩm cháy: n N2 = 27,73 + 0,414.125 = 79,48 (kmol/h) +) Số mol O2 dƣ hỗn hợp sản phẩm cháy: n O2du = 0,74 + 0,011.125 = 2,115 (kmol/h) +) Số mol SO2 hỗn hợp sản phẩm cháy: nSO2 = 8,75.10-4.125 = 0,109 (kmol/h) Từ kết có đƣợc, ta có bảng tóm tắt sau: CO2 (kmol/h) H2O (kmol/h) N2 (kmol/h) O2du (kmol/h) SO2 (kmol/h) 15,325 21,025 79,48 2,115 0,109 Vậy tổng số mol hỗn hợp sản phẩm cháy là: nΣ = 15,325 + 21,025 + 79,48 + 2,115 + 0,109 = 118,054 (kmol/h) Điều kiện chuyển hóa lò là: nhiệt độ chuyển hóa t = 850oC, áp suất chuyển hóa P = 1at = 9,81.104 (N/m2) Với điều kiện chuyển hóa này, thể tích hỗn hợp khói lò là: 83 Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học Vhh = = 11235,7 (m3/h) = Nồng độ nƣớc thiết bị: C H 2O = = 1,871 (mol/m3) = = 1,871.10-3 (mol/l) Thay vào phƣơng trình động học ta có: RCeff = 72.exp( ) = 6,72.10-5 0,56 (molC/gC.phút) 5.4.3 THỜI GIAN PHẢN ỨNG Với tốc độ biến đổi Carbon RCeff = 6,72.10-5 độ chuyển hoá UC = 30% thòi gian phản ứng tƣơng ứng là: ln( = ) = 442,3 (phút) 5.4.4 TÍNH SƠ BỘ CHIỀU DÀI LÒ Từ thời gian chuyển hoá τch ta tính sơ đƣờng kính chiều dài lò Ta có: giờ, lƣợng nguyên liệu cấp vào lò GC = 267,857 (kg/h) Vậy lƣợng nguyên liệu cấp vào lò là: G = GC.τch = 267,857 = 1974,6 (kg) Thể tích khối nguyên liệu là: Vn = Trong đó: ρ khối lƣợng riêng đổ đống nguyên liệu, ρ = 586 (kg/m3) Thay số ta có: = 3,37 (m3) Vn = Với hệ số chứa β = 0,12 thể tích vùng phản ứng lò : Vp/u = = = 28,08 84 (m3) Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học Chọn sơ đƣờng kính lò Dt = 1.1m, ta có chiều dài lò L đƣợc xác định theo công thức: L = = = 29,55 (m) 5.4.5 SỐ VÒNG QUAY CỦA LÒ Số vòng quay lò phụ thuộc vào thời gian chuyển hoá, góc nghiêng lò, thông thƣờng số vòng quay lò không đƣợc vƣợt 60 vòng/phút Số vòng quay lò đƣợc xác định theo công thức {10.4-Tr79-[10]} n = m.k.L τ ch Dt tgα Trong đó: m hệ số kể đến hình dạng cánh đảo trộn lắp lò, với cánh đảo trộn dạng thẳng cánh m = k hệ số kể đến trọng lƣợng nguyên liệu lò, với than gáo dừa thuộc loại nguyên liệu nhẹ nên ta chọn k = 0,2 theo bảng 8-Tr80-[11] Dt đƣờng kính lò, Dt = 1100 (mm) ch thời gian chuyển hoá chu trình (phút)  góc nghiêng lò ta chọn tg = 0,015 Thay số liệu vào ta có số vòng quay lò n: n= = 0,81 (vòng/phút) Sau tính toán xác định đƣợc thông số lò nhƣ sau: 1) Thời gian chuyển hóa cacbon: ch  7,4 ; 2) Chiều dài vùng chuyển hoá lò: L = 29,55 m; 3) Đƣờng kính lò: D = 1,10 m; 4) Thể tích vùng chuyển hoá: V = 28,08 m3; 5) Số vòng quay thích hợp lò: n = 0,81 vòng/ phút; Với lƣợng tiêu hao cần thiết là: 125 kg FO/giờ 85 Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học KẾT LUẬN Với nhiệm vụ luận văn tốt nghiệp nghiên cứu động học phản ứng chuyển hóa cacbon nƣớc để tối ƣu hóa thiết kế lò hoạt hóa cacbon, tác giả đạt đƣợc kết sau : Giới thiệu đƣợc tổng quan vật liệu than hoạt tính với lịch sử hình thành, phạm vi ứng dụng, đặc trƣng học (độ cứng, độ bền chịu mài mòn), đặc trƣng hóa lý (chỉ số Xanh Methylen, số Iod, bề mặt riêng BET, cấu trúc tinh thể, cấu trúc xốp) nhƣ cách để phân loại than hoạt tính Công nghệ sản xuất than hoạt tính trải qua hai giai đoạn cacbon hóa hoạt hóa (bằng hoạt hóa hóa học hóa lý) Các công đoạn sản xuất than hoạt tính nhƣ sau: Nguyên liệu đƣợc gia công cơ, xong sấy, nhiệt phân, hoạt hóa cuối phân loại, đóng gói sản phẩm Đƣa vấn đề lý thuyết động học phản ứng nhƣ phƣơng trình động học, bậc phản ứng đồng thể, động học trình hóa học dị thể, phƣơng pháp thực nghiệm xác định phƣơng trình đông học phản ứng hóa học Từ đó, nghiên cứu động học phản ứng chuyển hóa cacbon nƣớc Thiết lập mô hình động học phản ứng chuyển hóa cacbon  96792  0,56 C H O R.T   nƣớc: RC  72 ,0 exp   Thiết lập giải toán cân chất, cân nhiệt để tính toán thiết kế lò hoạt hóa cacbon đạt suất 1500 sản phẩm/năm với độ chuyển hoá cacbon UC = 30% chất lƣợng sản phẩm cacbon hoạt tính có bề mặt riêng SBET ≥ 1000 m2/g, số Iod ≥ 1000 mg/g Kết tính toán đƣợc thông số lò: thời gian chuyển hóa cacbon, ch  7,4 giờ; chiều dài vùng chuyển hoá lò, L = 29,55 m; đƣờng kính lò, D = 1,10 m; thể tích vùng chuyển hoá, V = 28,08 m3; số vòng quay thích hợp lò, n = 0,81 vòng/ phút; với lƣợng tiêu hao cần thiết là: 125 kg FO/giờ 86 Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Bộ môn Máy Hóa chất (1969), Hướng dẫn tính toán thiết kế máy, thiết bị hóa chất, NXB Bách Khoa Hà Nội [2] PGS Lê Cộng Hòa, PGS Trần Văn Niêm (2008), Động hóa học, NXB Bách Khoa Hà Nội [3] PGS.TS Mai Xuân Kỳ (2006), Thiết bị phản ứng công nghiệp hóa học, tập & 2, NXB Khoa học Kỹ thuật Hà Nội [4] Nguyễn Đắc Lộc (1962), Nhiên liệu vật liệu chịu nóng, NXB Bách Khoa Hà Nội [5] TS Trần Sơn (2001), Động hóa học, NXB Khoa học Kỹ thuật Hà Nội [6] Phạm Xuân Toản (2004), Các trình thiết bị công nghệ hóa chất thực phẩm, NXB Khoa học Kỹ thuật Hà Nội [7] Phạm Văn Trí (1996), Lò công nghiệp, NXB Bách Khoa Hà Nội [8] Hồ Lê Viên (1997), Cơ sở tính toán máy thiết bị hóa chất thực phẩm, NXB Bách Khoa Hà Nội [9] TS.Trần Xoa, PGS.TS Nguyễn Trọng Khuông, TS Phạm Xuân Toản (2005), Sổ tay trình thiết bị công nghệ hóa chất, tập & 2, NXB Khoa học Kỹ thuật Hà Nội Tiếng Anh [1] Bansal R C., Donnet J B., Stoeckli F (1988), Active Carbon, Marcel Dekker, INC [2] Cameron carbon incorporated (2006), Active carbon :manufacture, structure & properties, UAS [3] http://www.engineeringtoolbox.com -12/10/2014 [4] Karris S T., Numerical Analysis Using Matlab and Excel (Third Edition) [5] Smisek M., Cerny S (1970), Active Carbon, Elsevier publishing company 87