Tìm hiểu thiết bị phản ứng đẩy lý tưởng Continuously Operated Ideal Tank Reactor (còn gọi là thiết bị phản ứng kiểu ống – Plug Flow Tubular Reactor)

Đồ án động học nhiệt động học công nghệ lọc dầu BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO KHOA DẦU KHÍ TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA CHẤT BỘ MÔN LỌC HÓA DẦU ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐỘNG HỌC VÀ NHIỆT ĐỘNG HỌC TRONG CÔNG NGHỆ LỌC DẦU ĐỀ TÀI:Tìm hiểu thiết bị phản ứng đẩy lý tưởng - Continuously Operated Ideal Tank Reactor (còn gọi thiết bị phản ứng kiểu ống – Plug Flow Tubular Reactor) Giảng viên: Th.s Lê Đình Chiển Nhóm thực (Lớp Lọc hóa dầu A – k55): Trịnh Thành Công 1021010050 Nguyễn Tuấn Anh 1021010014 Bùi Kim Dung1021010067 Thiều Thị Kim Chi1021010036 Lê Tuấn Thành 1021010309 Hà Nội - 2013 Đồ án động học nhiệt động học công nghệ lọc dầu LỜI MỞ ĐẦU Mỗi dạng thiết bị phản ứng cho phương thức tiến hành phản ứng khác cấu trúc dòng phương thức trao đổi nhiệt, quan hệ lượng nhiệt loại thiết bị phản ứng hóa học khác Cho nên phải dựa sở phương trình cân chất, cân lượng nhiệt cân xung lượng hệ thống mà tiến hành phép tính toán Ngoài động học phản ứng hóa học, phải ý thích đáng đến cấu trúc dòng, phương thức vận tải nhiệt, vận tải chất hệ chế độ nhiệt độ (hệ đẳng nhiệt, đoạn nhiệt….), chúng yếu tố đóng vai trò định tạo nên suất thiết bị Để đánh giá loại thiết bị phản ứng phù hợp cho việc sản xuất sản phẩm đó, cần phải phân biệt xem chất phản ứng tham gia vào hay nhiều phản ứng độc lập phản ứng tạo nên sản phẩm phụ không mong muốn Trong phạm vi đồ án này, nhóm thực tập trung tìm hiểu thiết bị phản ứng làm việc liên tục Sau so sánh thiết bị phản ứng khuấy lý tưởng (CSTR) thiết bị phản ứng đẩy lý tưởng hay gọi thiết bị phản ứng kiểu ống (PFR), nhóm định tìm hiểu thiết bị phản ứng đẩy lý tưởng – thiết bị phổ biến công nghiệp hóa học Thiết bị phản ứng kiểu đẩy,hay gọi thiết bị phản ứng kiểu ống loại thiết bị hoạt động liên tục phổ biến công nghiệp, đặc biệt để tiến hành phản ứng chất khí với Phạm vi đề tài không đề cập đến vấn đề kinh tế thực tính toán tập trung tìm hiểu thiết bị phản ứng đẩy lý tưởng không đẳng nhiệt (quá trình thường xảy công nghiệp) Đồ án nhóm nghiên cứu không tránh khỏi thiếu sót, mong nhận hướng dẫn thầy giáo đóng góp bạn Xin chân thành cảm ơn! Đồ án động học nhiệt động học công nghệ lọc dầu MỤC LỤC Đồ án động học nhiệt động học công nghệ lọc dầu PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊPHẢN ỨNGTRONG CÔNG NGHIỆP HÓA HỌC I.1 NHIỆM VỤ CỦA VIỆC NGHIÊN CỨUTHIẾT BỊPHẢN ỨNG TRONGCÔNG NGHIỆP HÓA HỌC Trong quy trình sản xuất hóa học, khâu then chốt, quan trọng chuyển hóa nguyên liệu ban đầu thành sản phẩm – khâu tiến hành phản ứng hóa học – lĩnh vực học thuật “ thiết bị phản ứng công nghệ hóa học ’’ có nhiệm vụ thực tiễn hóa trình chuyển hóa hóa học điều kiện cụ thể để tạo sản phẩm với chất lượng định, suất định giá thành hạ Cũng xem lĩnh vực học thuật “ Thiết bị phản ứng công nghệ hóa học” có nhiệm vụ chuyển quy mô phản ứng chuyển hóa hóa học từ quy mô phòng thí nghiệm vào quy mô công nghiệp cách chắn, tin cậy Cũng có nghĩa phải tạo được: thiết bị phản ứng phù hợp với phản ứng cho, với suất yêu cầu biện pháp kỹ thuật tiến hành trình cách tối ưu công nghiệp Như vậy, nhiệm vụ lĩnh vự học thuật nói tóm tắt là:     Chọn phương thức tiến hành trình hóa học Tính toán kích thước (quy mô) thiết bị phản ứng hóa học Chọn quy định vật liệu chế tạo thiết bị Chọn điều khiển thiết bị để có thông số công nghệ tối ưu cho trình Cơ sở khoa học để thực nhiệm vụ trước hết kiến thức vận tốc phản ứng hóa học (microkinetic), thu nghiên cứu thực nghiệm Bước nhiều tài liệu giới gọi là: bước phân tích trình phản ứng hóa học (analysis of the reactions) nhằm xác định số tốc độ trình phản ứng, thiết lập phương trình tốc độ trình Khi trình hóa học xảy pha mà nhiều pha khác nhau, trình truyền nhiệt chuyển khối ảnh hưởng lớn đến tiến trình phản ứng hóa học việc kết hợp động học trình vận tải với động học phản ứng hóa học có ý nghĩa lớn (macrokinetic) Tính toán thiết kế thiết bị phản ứng hóa học phải thấy rằng, dạng thiết bị phản ứng cho phương thức tiến hành phản ứng khác cấu trúc dòng phương thức trao đổi nhiệt, quan hệ lượng nhiệt Đồ án động học nhiệt động học công nghệ lọc dầu loại thiết bị phản ứng hóa học khác Cho nên phải dựa sở phương trình cân chất, cân lượng nhiệt cân xung lượng hệ thống mà tiến hành phép tính toán Ngoài động học phản ứng hóa học, phải ý thích đáng đến cấu trúc dòng, phương thức vận tải nhiệt, vận tải chất hệ chế độ nhiệt độ (hệ đẳng nhiệt, đoạn nhiệt….), chúng yếu tố đóng vai trò định tạo nên suất thiết bị Những điều trình bày sơ lược trên, cho thấy yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến trình phản ứng hóa học công nghiệp cho thấy lĩnh vực học thuật: “ Thiết bị phản ứng công nghệ hóa học” lĩnh vực phức tạp,bao hàm kiến thức nhiều phận khoa học khác nhau, mà năm gần ( khoảng 30 năm trở lại ) lĩnh vực học thuật hình thành, hệ thống hóa phận lĩnh vực kỹ thuật công nghệ hóa học (chemical engineering ) I.2 PHÂN LOẠI CÁC HỆ PHẢN ỨNG HÓA HỌC Như trình bày trên, phương pháp tính toán lĩnh vực, trình thiết bị phản ứng hóa học nhằm xác lập hệ thống thiết bị công nghiệp để tiến hành trình phản ứng hóa học Để thực nhiệm vụ đó, trước hết phương diện vật lý, phải ý đến cấu trúc pha, chế độ nhiệt hệ thống • • • Theo cấu trúc pha: Hệ phản ứng đồng thể: Khi toàn khối phản ứng nằm pha Hệ phản ứng dị thể: chất tham gia vào trình phản ứng tổng thể nhiều pha khác Đây trường hợp điển hình cho hầu hết phản ứng xúc tác Khi đó, chất xúc tác nằm pha khác với pha chứa chất phản ứng Về phương thức tiến hành phản ứng, người ta chia : Quá trình phản ứngliên tục : chuyển hóa xảy hệ mở với thông số công nghệ chủ yếu không đổi (theo thời gian ) Quá trình phản ứnggián đoạn Trong trình gián đoạn thường tiến hành hệ ( thiết bị phản ứng ) kín Theo phân bố nhiệt độ suốt trình chuyển hóa người ta phân chia trình: Đẳng nhiệt: nhờ vào trao đổi nhiệt vùng phản ứng môi trường bên ngoài, mà nhiệt độ khối phản ứng không thay đổi suốt trình Đoạn nhiệt: nhiệt độ khối phản ứng tăng hay giảm cách tương ứng với tăng lên độ chuyển hóa, ứng với trình phản ứng Đồ án động học nhiệt động học công nghệ lọc dầu • • tỏa nhiệt hay thu nhiệt Hay nói cách khác, hệ đoạn nhiệt trao đổi nhiệt cưỡng vùng phản ứng với môi trường bên Đa nhiệt: nhiệt độ thiết bị phản ứng khống chế theo chương trình thông qua cấp nhiệt cho hệ hay rút nhiệt khỏi hệ theo yêu cầu Nhiệt độ hệ đoạn nhiệt khác theo thời gian không gian vùng phản ứng… Trong tính toán, thiết kế thiết bị phản ứng hóa học người ta phải ý hệ phản ứng đơn giản hay phức tạp Hệ phản ứng gọi đơn giản hệ xảy phản ứng hóa học thông qua thay đổi nồng độ cấu tử đủ để miêu tả cách hoàn chỉnh trình phản ứng hóa học Hệ gọi hệ phức tạp hệ đồng thời xảy nhiều phản ứng hóa học để miêu tả độ chuyển hóa hệ vậy, cần đến số phương trình toán học Một vấn đề quan trọng việc phân loại hệ phản ứng hóa học cấu trúc dòng thiết bị, thể khả khuấy trộn cấu tử tham gia phản ứng Tất điều nêu bị chi phối, ràng buộc cấu trúc dòng thiết bị phản ứng I.3 THIẾT BỊ LÀM VIỆC LIÊN TỤC Đó thiết bị mà chất phản ứng với phụ liệu: dung môi, khí, chất mang,… cung cấp liên tục vào không gian phản ứng hỗn hợp phản ứng bao gồm: sản phẩm, chất phản ứng dư chưa chuyển hóa, dung môi, … liên tục tháo khỏi thiết bị Khi điều kiện đầu vào (lưu lượng chất phản ứng cung cấp, nồng độ ban đầu chúng, nhiệt độ hỗn hợp phản ứng, ), nhiệt lượng trao đổi,… không thay đổi trình xảy thiết bị làm việc liên tục không phụ thuộc vào thời gian ta nói: thiết bị làm việc trạng thái ổn định (steady state operation) Các thiết bị làm việc liên tục cho phép ứng dụng toàn diện thiết bị điều khiển, điều chỉnh tự động khí hóa Nhìn chung, chúng có ưu điểm sau: - Do giữ điều kiện phản ứng không đổi, đảm bảo chất lượng sản phẩm ổn định Tiết kiệm thể tích thiết bị, tiết kiệm thời gian “chết”, thời gian tháo nạp liệu Tiết kiệm lao động đặc biệt đảm bảo tốt vệ sinh môi trường Tuy nhiên, phải nhìn thấy nhược điểm trình liên tục là: Đồ án động học nhiệt động học công nghệ lọc dầu - - Hệ thống thiết bị không linh động, thông số công nghệ điều chỉnh miền hẹp Đầu tư lớn cho thiết bị phụ: hệ thống thiết bị nạp liệu vận chuyển vật liệu, thiết bị đo lường, điều khiển (với hệ thống thiết bị đại công nghiệp chế biến dầu mỡ, đầu tư cho thiết bị đo lường, điều khiển lên đến 25%) Đòi hỏi độ ổn định cao nguyên liệu, thành phần hóa học đặc trưng vật lý (chẳng hạn kích thước phần tử, độ xốp…) Thường xuyên tiêu hao lượng điện nhau, bất lợi cho việc cung cấp điện cho hệ thống thời gian cao điểm ngày Với ưu nhược điểm trên, trình liên tục sử dụng thích hợp cho sản xuất với suất lớn: thiết bị oxy hóa SO 300.000 SO3/năm, thiết bị tổng hợp ammoniac 550.000 tấn/năm, thiết bị cracking 700.000 etylen/năm Về phương diện kết cấu, thiết bị có kết cấu dùng cho trình phản ứng đồng thể, cho trình phản ứng giả đồng thể trình dị thể Những phản ứng xảy nhanh , tỏa nhiệt mạnh thường tiến hành bị kiểu buồng đốt Với phản ứng dị thể người ta sử dụng thiết bị có lớp tĩnh, lò quay, thiết bị lớp chuyển động, lớp tầng sôi,… I.4 SO SÁNH THIẾT BỊ PHẢN ỨNG KIỂU ĐẨY LÝ TƯỞNG, KHUẤY LÝ TƯỞNG LÀM VIỆC LIÊN TỤC Khi thiết bị phản ứng làm việc liên tục trạng thái ổn định, nồng độ chất, nghĩa thành phần khối phản ứng vị trí không đổi theo thời gian Thiết bị đẩy lý tưởng, thành phần không đổi theo không gian thiết bị khuấy lý tưởng thành phần không đổi theo không gian vị trí dọc theo thiết bị thành phân hỗn hợp khỏi vùng phản ứng Chính vậy, thiết bị phản ứng kiểu đẩy lý tưởng (và thiết bị phản ứng làm việc gián đoạn) hình thành sản phẩm điều kiện khác nồng độ ngược lại thiết bị phản ứng kiểu khuấy lý tưởng thành phần hỗn hợp phản ứng điểm không gian, phản ứng Chất lượng sản phẩm phản ứng phụ thuộc vào điều kiện nồng độ hình thành chúng, với thiết bị phản ứng kiểu khuấy ký tưởng làm việc liên tục, người ta giả định chất lượng sản phẩm đồng Nếu hệ xảy phản ứng hóa học suất thiết bị kiểu đẩy lý tưởng lớn thiết bị kiểu khuấy Cơ sở điều này, với điều kiện định nhiệt độ, nồng độ chất phản ứng Đồ án động học nhiệt động học công nghệ lọc dầu vận tốc phản ứng điểm không gian phản ứng, lại đầu thiết bị Vận tốc trung bình phản ứng thiết bị phản ứng khuấy lý tưởng nhỏ để đạt suất sản xuất, thể tích thiết bị phản ứng kiểu khuấy lý tưởng Nếu cần phải đạt độ chuyển hóa cao, chẳng hạn phản ứng trùng ngưng hay phản ứng đa tụ việc sử dụng thiết bị phản ứng kiểu khuấy lý tưởng làm việc liên tục hoianf toàn không thích hợp Thể tích cần thiết thiết bị phản ứng để đảm bảo suất sản xuất phụ thuộc vào độ chuyển hóa hóa học, vào bậc phản ứng, sai khác lớn độ chuyển hóa cao bậc phản ứng lớn Hình 1.1 cho thấy tương quan thể tích cần thiết thiết bị phản ứng kiểu khuấy lý tưởng đẩy lý tưởng cho hệ phản ứng bậc bậc đẳng nhiệt hàm số độ chuyển hóa Uk Xuất phát từ quan điểm suất thiết bị phản ứng, hệ có phản ứng độc lập, thiết bị phản ứng kiểu đẩy thích hợp thiết bị phản ứng kiểu khuấy lý tưởng làm việc liên tục Cũng từ khác, thấy quan hệ nồng độ chất không đổi theo thời gian, đạt sản phẩm tốt hơn, (chẳng hạn đạt phân bố phân tử lượng phản ứng trùng hợp gốc đạt thành phần hóa học đồng polymer đồng trùng hợp, …) người ta chọn thiết bị phản ứng kiểu khuấy lý tưởng dãy thiết bị khuấy lý tưởng đơn giản kinh tế Cũng phải thấy việc đảm bảo tính đẳng nhiệt cho thiết bị kiểu khuấy lý tưởng kĩ thuật đơn giản nhiều thiết bị kiểu đẩy lý tưởng Khi áp dụng dãy thiết bị phản ứng kiểu khuấy lý tưởng người ta đặt câu hỏi: phải lựa chọn thể tích thiết bị dãy nào, cho thể tích tổng thể thiết bị đạt độ chuyển hóa định Loại hình câu hỏi thực tế không quan trọng giảm thể tích thường không tác động lên giá đầu tư chi phí bảo dưỡng Quan hệ thể tích cần thiết cho dãy thiết bị ghép nối tiếp để đạt độ chuyển hóa Uk thể tích thiết bị kiểu đẩy lý tưởng trình bày hình 1.1 Trong phần trước trình bày với hệ phản ứng đẳng nhiệt, đẳng tích để tính toán thiết bị phản ứng đẩy lý tưởng, dùng phương trình tính toán cho thiết bị làm việc gián đoạn, cách thay thời gian phản ứng tk thiết bị gián đoạn tỷ số , tỷ số thời gian lưu thiết bị phản ứng kiểu đẩy lý tưởng Đồ án động học nhiệt động học công nghệ lọc dầu Hình 1.1: Tương quan thiết bị phản ứng kiểu khuấy lý tưởng (hoặc dãycủa thiết bị khuấy lý tưởng) thiết bị đẩy lý tưởng hàm số Uk,đối với phản ứng đẳng nhiệt bậc bậc Trong phần trước trình bày với hệ phản ứng đẳng nhiệt, đẳng tích để tính toán thiết bị phản ứng đẩy lý tưởng, dùng phương trình tính toán cho thiết bị làm việc gián đoạn, cách thay thời gian phản ứng tk thiết bị gián đoạn tỷ số , tỷ số thời gian lưu thiết bị phản ứng kiểu đẩy lý tưởng Xét phản ứng nối tiếp : AP X (1.1) Trong P sản phẩm mong muốn, tính thời gian lưu tối ưu để đạt hiệu suất P cực đại, thiết bị phản ứng kiểu đẩy lý tưởng ta có: = () (1.2) thiết bị kiểu khuấy lý tưởng là: = (1.3) Hiệu suất P cực đại cho trường hợp dùng thiết bị phản ứng kiểu đẩy lý tưởng : = = () (1.4) cho thiết bị kiểu khuấy lý tưởng: = = (1.5) Đồ án động học nhiệt động học công nghệ lọc dầu với thiết bị phản ứng không thay đổi thể tích tiến hành đẳng nhiệt có: < (1.6) : > (1.7) Hình 1.2: Hiệu suất Ap độ lựa chọn Sp cho phản ứng nối tiếp hàm số k1trong thiết bị kiểu đẩy lý tưởng thiết bị phản ứng kiểu khuấy lý tưởng Với phản ứng nối phương trình (1.1) với m, đồ thị hình 1.2 cho ta độ lựa chọn Sp hiệu suất Ap sản phẩm P phụ thuộc vào k1 Từ rút kết luận là, với phản ứng nối tiếp xét, thiết bị kiểu đẩy lý tưởng dãy thiết bị phản ứng khuấy lý tưởng ghép nối tiếp đạt hiệu suất hợp lý dùng thiết bị phản ứng kiểu khuấy lý tưởng làm việc liên tục Trường hợp lại có phản ứng song song, đẳng tích có bậc khác hiệu suất sản phẩm phụ thuộc vào loại hình thiết bị phản ứng ? AP rp = AX rx = (1.8) Nếu nhiệt độ phản ứng ấn định, tính tỷ số số vận tốc phản ứng Với nồng độ ban đầu cấu tử A, suất sản phẩm , ấn định, thể tích cần thiết thiết bị phản ứng VR, từ : Ta có: 10 Đồ án động học nhiệt động học công nghệ lọc dầu H(t) phần dòng liên tục có thời gian lưu khoảng thời gian t t + dt; xác suất cho phân tố thể tích vào thiết bị thời điểm t = rời khỏi thiết bị sau khoảng thời gian t t + dt Theo định nghĩa rõ ràng : d[S(t)] = H(t)dt (2-20) Nghĩa H(t) – phổ phân bố thời gian băng vi phân hàm phân bố S(t) theo thời gian t Kết hợp phương trình (4-4) ta có thời gian lưu trung bình : = (2-21) Với thiết bị đẩy lý tưởng, không cần tính toán thấy : S(t) = với t