Nghiên cứu mô hình hoá ảnh hưởng của quá trình chuyển khối và truyền nhiệt bên trong lên hệ số sử dụng xúc tác trong phản ứng reforming xăng nặng

Bộ giáo dục đào tạo Trường đại học bách khoa hà nội - HOàNG đức thắng Luận văn thạc sỹ khoa học Ngành: công nghệ hóa học công nghệ hóa học Nghiên cứu mô hình hóa ảnh hưởng trình chuyển khối truyền nhiệt bên lên hệ số sử dụng xúc tác phản ứng reforming xăng nặng 2004 2006 Hoàng đức thắng hà nội 2006 Hà nội 2006 -1- Mục lục Trang Mở đầu Vấn đề nghiên cứu trình diễn phản ứng hóa học dị thể nhiệm vụ luận văn Chương Tổng quan sở tính toán trình thiết bị phản ứng cho hệ dị thể 1.1 Các thiết bị phản ứng xúc tác dị thể điển hình công nghiệp hóa học 1.1.1 Thiết bị phản ứng có lớp xúc tác tĩnh 1.1.2 Thiết bị phản ứng có lớp xúc tác chuyển động 10 1.1.3 Thiết bị phản ứng tầng sôi 11 1.2 Tính toán thiết bị phản ứng dị thể có lớp xúc tác tĩnh 11 1.2.1 Phương trình cân chất 11 1.2.2 Phương trình cân nhiệt 14 1.2.3 Tính toán thiết bị phản ứng xúc tác dị thể lớp tĩnh đẳng 15 nhiệt 1.2.4 Tính toán thiết bị phản ứng xúc tác dị thể lớp tĩnh đoạn 17 nhiệt 1.3 Vấn đề xác định vận tốc trình hóa học dị thể 18 1.3.1 Vận tốc hiệu dụng phản øng hãa häc 18 1.3.2 VËn tèc thùc cđa qu¸ trình hóa học dị thể vật thể rắn 22 xốp (xúc tác) -2- Chương 24 ảnh hưởng trình vận tải chất lượng hệ phản ứng dị thể mô hình khuếch tán vật thể rắn xốp 2.1 ảnh hưởng trình vận tải lên tiến trình 24 trình hóa học dị thể 2.1.1 Quá trình vận tải bên 24 2.1.1.1 Quá trình vận tải bên phản ứng dị thể 24 2.1.1.2 ảnh hưởng vận tải bên đến nhiệt độ bề mặt 26 vật thể rắn 2.1.1.3 Tính toán hệ sè cÊp khèi vµ hƯ sè cÊp nhiƯt 30 2.1.2 Quá trình vận tải chất vận tải lượng bên 33 vật thể rắn, xốp có phản ứng hóa học 2.1.2.1 Vận tải chất phản øng hãa häc vËt r¾n, xèp 33 2.1.2.2 VËn tải lượng phản ứng hóa học vật rắn xốp 37 2.1.3 Tính toán hệ số sử dụng bề mặt bên vật thể rắn 41 xốp 2.2 Mô hình khuếch tán vật thể rắn xốp x¶y mét hƯ 48 ph¶n øng hãa häc phức tạp 2.2.1 Các trình khuếch tán trình vận tải chất 48 2.2.2 Tỷ lượng hóa học hệ phản ứng hóa học phức tạp 50 2.2.3 Thiết lập mô hình khuếch tán vật thể xốp x¶y 51 mét hƯ ph¶n øng hãa häc phøc tạp 2.2.4 Các khả đơn giản hóa mô hình 56 -3- Chương 59 Tính toán ảnh hưởng trình vận tải chất vận tải lượng lên trình reforming xúc tác dầu mỏ 3.1 Quá trình công nghệ reforming xúc tác 59 3.1.1 Phản ứng reforming 59 3.1.2 Công nghệ Plat reforming 65 3.1.2.1 Sơ đồ công nghệ trình reforming 65 3.1.2.2 Chế độ công nghệ trình reforming xúc tác 67 3.1.2.3 Nguyên liệu sản phẩm trình reforming xúc tác 69 3.1.3 Xúc tác reforming 71 3.2 Thiết lập giải mô hình khuếch tán bên phần tử xúc 75 tác xốp hệ reforming xúc tác 3.2.1 Thiết lập mô hình khuếch tán cho hệ reforming xúc tác 75 3.2.2 Các thông số công nghệ (thực nghiệm) dùng để lập giải 78 mô hình 3.2.3 Các thuật toán tính toán giải mô hình 81 3.2.3.1 Các thuật toán 81 3.2.3.1.1 Thuật toán giải phương trình vi phân cấp Runge-Kutta 81 3.2.3.1.2 Thuật toán ODE45 - phần mềm MATLAB 7.0.4 dùng để giải 86 phương trình vi phân cấp theo phương pháp Runge-Kutta 3.2.3.2 Các tính toán giải mô hình kết 87 3.2.3.3 Tính toán hệ số sử dụng bề mặt bên xúc tác hệ 91 reforming xăng nặng 3.2.4 Thảo luận kết 94 Kết luận 97 Tài liệu tham khảo 99 Tóm tắt luận văn 101 Thesis summary 103 -4- Mở đầu Vấn đề nghiên cứu trình diễn phản ứng hóa học dị thể nhiệm vụ luận văn Hiện thực tiễn công nghiệp hóa học có đến 90% phản ứng hóa học phản ứng sử dụng xúc tác, chủ yếu phản ứng xúc tác dị thể với chất xúc tác chất rắn xốp chất phản ứng chất khí hay chất lỏng Các trình hóa học xảy bề mặt nội phần tử xúc tác rắn xốp phức tạp từ lâu đà trở thành đối tượng nghiên cứu nhà công nghệ hóa học Trong trình vận tải bên thực qua lớp biên thủy lực bề mặt phần tử chất rắn chi phối thông qua vận tốc môi trường liên tục, trình vận tải bên không gian mao quản vật thể xốp phụ thuộc vào cấu trúc hệ mao quản, thông số công nghệ, tính chất cấu tử tham gia trình vận tải đặc biệt bị chi phèi nhiỊu bëi tÝnh phøc t¹p cđa hƯ (hƯ hai hay nhiều cấu tử) Vận tốc trình hóa học dị thể sử dụng chất xúc tác xốp, có bề mặt bên phát triển phụ thuộc vào vận tốc phản ứng hóa học mà phụ thuộc, chí có hoàn toàn định vận tốc trình vận tải chất lượng bên không gian mao quản vật thể xốp ảnh hưởng trình vận tải bên vật thể xốp lên hiệu phản ứng hóa học dị thể lần DAMKOEHLER nghiên cứu định lượng vào năm 30 kỷ trước Sau đó, trình nhiều nhà khoa học nghiên cứu phát triển đặc biệt phải kể đến Frank-Kamenesky, Thiele, Zeldovitsh, Aris./9/ Luận văn đóng góp vào nghiên cứu ảnh hưởng trình vận tải không gian mao quản phần tử xúc tác xốp, xảy hệ phản øng hãa häc phøc t¹p: -5- N ∑ν i =1 ji Ai = j = 1, 2, 3, M (1) víi: ν ji : hƯ sè tû l­ỵng cđa cÊu tư A i ph¶n øng thø j i: sè thø tù cÊu tư j: sè thø tù ph¶n ứng đơn giản Khi hệ phức tạp (hệ nhiều cấu tử), trình khuếch tán mô tả định luật Fick I mà mật độ dòng khuếch tán cấu tử không phụ thuộc vào gradient nồng độ cấu tử mà phụ thuộc vào gradient nồng độ tất cấu tử hệ Khi đó, để mô tả trình khuếch tán hệ nhiều cấu tử, sử dụng phương trình Maxwell-Stefan /10/: Cx i = n xi J j − x j J i i =1 Dij ∑ (2) Trong ®ã: C: nång ®é chung cđa hỗn hợp [mol/m3] x i : phần mol cấu tử A i j i : mật độ dòng cấu tử A i [mol/m2.s] D ij : hƯ sè khch t¸n hƯ cÊu tư i ≠ j [m2/s] Ph­¬ng trình Maxwell-Stefan Gunn R.D King C.I /11/ viết d­íi d¹ng ma trËn: (j i ) = (H ij )-1.(g j ) (2a) xi  N xm  H ij = − ∑ δ ij Dij  m =1 Dim  (2b) 1 0 δ ij =  (g j ) = (C.∇x j ) ∀i = j ∀i ≠ j (2c) (2d) Tõ (2a) vµ (2b) râ rµng hệ số khuếch tán cấu tử hƯ nhiỊu cÊu tư lµ mét hµm sè cđa thành phần hệ số khuếch tán phân tử tất cấu tử hệ việc tính toán mật độ dòng khuếch tán cấu tử hệ phức tạp Để thực việc tính toán thuận lợi cần phải đơn giản hóa hệ phản ứng hóa học phức tạp với số điều kiện -6- cho trước Trong số trường hợp, chẳng hạn có cấu tử dư so với cấu tử khuếch tán cấu tử tham gia khuếch tán có đặc trưng tương tự nhau, mô tả, tính toán trình thông qua định lt Fick, b»ng c¸ch xem hƯ sè khch t¸n cđa cấu tử hệ đa cấu tử Nhiệm vụ luận văn thiết lập giải mô hình khuếch tán truyền nhiệt bên vật thể xốp, sử dụng phép đơn giản hóa nhằm xác định định lượng ảnh hưởng trình chuyển khối truyền nhiệt bên lên trình hóa học dị thể từ tính hệ số sử dụng xúc tác hệ phản ứng hóa học dị thể phức tạp -7- Chương Tổng quan sở tính toán trình thiết bị phản ứng cho hệ dị thể Trong thực tiễn công nghiệp, tất phản ứng hóa học phải tiến hành thiết bị phản ứng Xuất phát từ trình công nghệ khác nhau, hệ phản ứng hóa học bị tác động yếu tố ảnh hưởng đặc trưng loại thiết bị Do đó, trước vào nghiên cứu ảnh hưởng trình vận t¶i vËt chÊt hƯ ph¶n øng hãa häc, viƯc phải tìm hiểu tính toán thiết bị phản ứng hóa học dị thể vấn đề vận tốc trình 1.1 Các thiết bị phản ứng xúc tác dị thể điển hình công nghiệp hóa học: Thiết bị phản ứng xúc tác dị thể tương đối phổ biến công nghiệp hóa học Có mặt hầu hết trình công nghệ hóa học tổng hợp Amoniac, tỉng hỵp metanol, oxy hãa SO , cracking xóc tác hydrocacbon dầu mỏ thiết bị phản ứng dị thể đóng vai trò quan trọng thiếu sản xuất công nghiệp Thiết bị phản ứng xúc tác dị thể gồm hai loại chính: Thiết bị phản ứng có lớp xúc tác tĩnh Thiết bị phản ứng có lớp xúc tác chuyển động 1.1.1 Thiết bị phản ứng có lớp xúc tác tĩnh: * Thiết bị phản ứng có buồng xúc tác: Thiết bị có cấu tạo Hình 1.1 Loại thiết bị có nhược điểm nhiệt độ phân bố không đồng theo tiết diện ngang lớp xúc tác trình truyền nhiệt lớp hạt -8- Sản phẩm Chất tải nhiệt Chất tải nhiệt Chất phản ứng Hình1.1 Thiết bị phản ứng có buồng xúc tác * Thiết bị phản ứng có xúc tác kiểu ống chùm: Để khắc phục nhược điểm loại thiết bị người ta chế tạo thiết bị phản ứng có xúc tác kiểu ống chùm cách chia lớp xúc tác thành nhiỊu èng xóc t¸c kh¸c víi chiỊu cao èng xúc tác phụ thuộc vào thời gian lưu cần thiết chất phản ứng bên tiếp xúc với xúc tác, đường kính ống xúc tác phụ thuộc vào hiƯu øng nhiƯt cđa ph¶n øng hãa häc: nÕu hiƯu ứng nhiệt cao đường kính ống nhỏ để trình trao đổi nhiệt diễn cách tốt nhằm tránh gradient nhiệt độ theo hướng kính khả sinh nhiệt cục gây chảy xúc tác làm tắc ống Loại thiết bị ứng dụng rộng rÃi công nghiệp sản xuất VC, VA acetylen Nhược điểm loại thiết bị có thay đổi yếu tố công nghệ (ví dụ nhiệt độ lưu thể) việc loại trừ ảnh hưởng công nghệ tới ống xúc tác khó khăn, loại thiết bị nhạy với thay đổi biến công nghệ khó điều khiển -9- Sản phẩm Chất tải nhiệt Chất phản ứng Hình 1.2 Thiết bị phản ứng có xúc tác kiểu ống chùm * Thiết bị phản ứng có nhiều lớp xúc tác: Thiết bị chế tạo nhằm khắc phục nhược điểm loại thiết bị xúc tác ống chùm Mỗi lớp xúc tác làm việc chế độ xác định người ta điều khiển nhiệt độ lớp xúc tác tĩnh khí trơ môi chất phản ứng Ngày người ta chế tạo thiết bị phản ứng có lớp xúc tác hướng kính làm cho tiết diện dòng chảy lớn thời gian tiếp xúc chất phản ứng với xúc tác dài giúp tăng suất thiết bị - 91 - Model 1: Model 2: Dek = ψ − xk xj ∑D Dek = ψ DkH kj - 92 - −1 Model 3:  1 + Dek =   D Nk DKkeff eff      Model 4:  1 Dek =  +  DkH DKkeff eff      −1 H×nh 3.2 – NghiƯm cđa mét sè mô hình điều kiện không đẳng nhiệt - 93 - Sử dụng thông số cho phần tử xúc tác hình cầu, bán kính 1,9mm hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng xúc tác eff = 1,7445.10-3 [W.m-1.K-1], đà tính chênh lệch nhiệt độ bề mặt tâm phần tử xúc tác sau: Tại R = 0: từ đồ thị ta có: T = 0,868 → T = 0,868T0 T0 (3.35) → ∆T= (1 - 0,868).T0 = 0,132.T0 = 0,132.767 (K) = 101,244 (0K) ≈ 101 (K) 3.2.3.3 TÝnh to¸n hƯ sè sư dụng bề mặt bên xúc tác hệ reforming xăng nặng: Như đà trình bày phần trên, đặc trưng quan trọng trình hóa học dị thể môi trường xốp Hệ số sử dụng bề mặt bên môi trường xốp Đó tỷ số vận tốc phản ứng hóa học vận tốc biến đổi chất thực vận tốc tương ứng không kể đến trình vận tải bên trong, nghĩa vận tốc trình tính với nồng độ cấu tử nhiệt độ mặt phần tử rắn xốp Trong trường hợp toán đà giải, rõ ràng hệ số sử dụng bề mặt bên xúc tác Tỷ số vận tốc phản ứng vận tốc biến đổi chất tính sở phân bố nồng độ phân bố nhiệt độ phần tử xúc tác rắn đà có từ nghiệm số thu giải hệ phương trình cân chất cân nhiệt: d C k dC k   + Rk = +  Dek  R dR dR     n   d T dT  + + λ  eff  dR R dR  ∑ (∆ R H k ) =  k =1   (3.36) víi k = 1, 2, 3, (s = 4: h¹ng ma trËn tû lượng hóa học) vận tốc tương ứng tính theo số liệu mặt phần tử xúc tác Để tính toán hệ số sử dụng bề mặt bên xúc tác hệ có nhiều phản ứng hóa học thường xuất phát sở tính vận tốc biến đổi chất cấu tử: - 94 - Gọi V thể tích phần tử xúc tác hình cầu, xảy hệ phản øng hãa häc, ph¶i cã hƯ sè sư dơng bỊ mặt bên xúc tác cấu tử thø k lµ: (η k ) = ( ) Rk dV V V∫ k = 1, 2, , S (Rk )0 (3.37) víi (Rk ) lµ vËn tèc biÕn ®ỉi chÊt trung b×nh cđa cÊu tư thø k không gian xốp thể tích V (Rk)0 vận tốc biến đổi chất bề mặt phần tử xúc tác Gọi (jk) mật độ dòng khuếch tán cấu tử thứ k, trình ổn định, theo /5/: (n ) i , kt R = R0 (3.38) = Ri V Râ rµng ë phải có: ( j )dF = (R )dV k Và đó: (3.39) k F V ( k ) = V ∫ ( j )dF k (3.40) F (Rk )0 Với phần tử xúc tác đối xứng cầu, rõ ràng mật độ dòng khuếch tán điểm mặt cầu nhau, ®ã: ∫ ( j )dF = ( j ) F k (3.41) k F Với (jk)0 mật độ dòng khuếch tán bề mặt phần tử: ( j k )0 = − Dek dC k dR (3.42) R = R0 V× thÕ tõ (3.40), (3.41), (3.42) ta cã: (η k ) = Víi − Dek dC k dR (Rk )0 R = R0 F V k = 1, 2, , s F & V diện tích thể tích bề mặt phần tử xúc tác (3.43) - 95 - dC k dR gradient nồng độ cấu tử thứ k bề mặt phần R = R0 tử xúc tác tính trình giải phương trình cân chất Với hệ số khuếch tán Dek tương ứng với cách tính khác theo phương trình (2.115, 2.117, 2.121), từ phương trình (3.43) đà tính hệ số sử dụng bề mặt bên phần tử xúc tác phản ứng reforming xăng nặng bảng đây: Bảng 3.7 - Hệ số sử dụng bề mặt bên xúc tác theo mô hình khuếch tán khác Hệ số sử dụng bề mặt xúc tác với cấu tử chìa khóa Mô hình tính toán hệ số khuếch t¸n Di eff = DNi eff = ψ (1 − xi ) / ∑ j ≠i Di eff = DiH2 eff = ψ DiH xj Dij ηNP ηIP ηNA ηAR 0,2117 0,2722 0,2722 0,2722 0,2122 0,2727 0,2726 0,2726 0,2132 0,2737 0,2718 0,2719 0,2145 0,2745 0,2703 0,2703 0,2933 0,2971 0,2904 0,2904 −1 Dieff  1 =ψ  +  Di DK i  H2         −1 Dieff  1 =ψ  +  DN DK i  i     −1 Dieff  1 =ψ  +  DN DK i  i re = 90 A Víi eff = eff + 0,15.eff (tăng 15%) 3.2.4 Thảo luận kết quả: Từ kết đường cong phân bố nồng độ cấu tử chìa khóa NP, IP, NA AR thu cho thấy phương ph¸p tÝnh hƯ sè khch t¸n - 96 - cđa c¸c cÊu tư hƯ nhiỊu cÊu tư theo c¸c chế khác ta thu hình ảnh phân bố nồng độ chúng không gian mao quản khác Một kết rõ ràng, thống với mô hình phương pháp tính gần đà sử dụng, là: cấu tử AR (các hợp chất thơm) cấu tử NA (các hydrocacbon mạch vòng no) sản phẩm phản ứng reforming bị kìm hÃm mạnh tượng khuếch tán bên Chính mà thập kỷ cuối kỷ trước, nhà sản xuất cung cấp xúc tác reforming dầu mỏ giới mong muốn chế tạo xúc tác có cấu trúc xốp với kích thước mao quản đồng đều, cấu hình phần tử hợp lý, đảm bảo trình vận tải sản phẩm khỏi vùng phản ứng cách nhanh chóng Kết tính xem trình khuếch tán phân tử hệ nhiều cấu tử khuếch tán cấu tử với cấu tử dư, nghĩa là: DiT = DiH2 (model 2) cho thấy profile nồng độ cấu tử thoải so với kết thu sử dụng mô hình khác: DNk eff = ψ (1 − xk ) / ∑ j≠k vµ xj Dkj Dkeff  1 =ψ  +  DN  keff DK keff Dkeff  1 =ψ  + D DK k  kH         (model 1) (model 3) (model 4) Chẳng hạn nồng độ cấu tử AR (các hợp chất thơm) R = tính theo model khoảng 0,9 so với nồng độ điểm tính theo model Nói cách khác lấy giá trị hệ số khuếch tán phân tử hệ nhiều cấu tử hệ số khuếch tán hệ cấu tử DiT = DiH2, có lẽ lớn Vận tốc khuếch tán tính nhanh so với vận tốc khuếch tán có thực Giả thiết DiT = DiH2 có lẽ không nên chấp nhận tính toán - 97 - Phân bố nhiệt độ thu đủ dốc Tại tâm phần tư xóc t¸c víi R0 = 1,9mm cã: TR = = 0,868.T0 = 8,868.767 = 665,756 (K) lµ rÊt thấp so với nhiệt độ mặt phần tử xúc tác Chênh lệch nhiệt độ tâm phần tử xúc tác mặt đến: T = 0,132.T0 = 0,132.767 = 101,244 (K) Trên khoảng cách 1,9mm có chênh lệch nhiệt độ lớn, phần lớn phản ứng thành phần hệ reforming thu nhiệt Kết tính toán hệ số sử dụng bề mặt bên xúc tác (bảng 3.7) cho thấy hệ số sử dụng bề mặt bên xúc tác vận tốc biến đổi chất tất phản ứng thấp (chỉ khoảng 21% đến 27%) nghĩa phần xúc tác hiệu dụng cho phản ứng thấp Rõ ràng phần tử không đẳng nhiệt, nhiệt độ bên phần tử xúc tác thấp, vận tốc phản ứng hóa học bên phần tử xúc tác không đáng kể Quá trình truyền nhiệt vật thể rắn xốp chủ yếu thông qua dẫn nhiệt phần tử rắn xốp Mà hƯ sè dÉn nhiƯt cđa vËt liƯu xèp lµm xóc tác thấp: eff = 1,7445.10-3 [W.m-1.K-1] làm cho gradient nhiệt độ trở nên lớn dẫn đến làm giảm đáng kể vận tốc phản ứng Thật vậy, đà giải toán cách tăng hệ số dẫn nhiệt xúc tác thêm 15%, nghĩa là: eff = eff + 0,15 eff tính hệ số sử dụng bề mặt bên xúc tác tăng lên đến 29% so với 21%, tức tăng đến 1,38 lần (tương ®­¬ng 38%) - 98 - KÕt ln Víi ®Ị tài Nghiên cứu mô hình hóa ảnh hưởng trình chuyển khối truyền nhiệt bên lên hệ số sử dụng xúc tác phản ứng reforming xăng nặng luận văn đà sử dụng sở lý thuyết kết hợp với công cụ toán học lập trình để tiến hành nghiên cứu bao gồm: + Sự kết hợp đơn giản hóa phương trình khch t¸n nhiỊu cÊu tư Maxwell-Stefan vËt liƯu xèp định luật Fick I để thiết lập mô hình toán mô tả cân chất cân nhiệt cđa c¸c cÊu tư hƯ reforming xóc t¸c; + Các công cụ tính toán gồm có: o Bài toán hệ số tỷ lượng hóa học hệ phản ứng phức tạp, o Các phương pháp tính toán hệ sè khch t¸n cđa c¸c chÊt hƯ cÊu tử theo lý thuyết động học phân tử, o Tính toán gần hệ số khuếch tán chất hệ nhiều cấu tử, o Phương pháp giải gần hệ phương trình vi phân cấp RungeKutta lệnh ODE45 phần mềm lập trình Matlab 7.0.4 mô hình khuếch tán phản ứng hóa học hệ dị thể không đẳng nhiệt Kết đà tìm đường cong phân bố nồng độ cấu tử đường cong phân bố nhiệt độ theo mô hình khuếch tán với hệ số khuếch tán tương ứng, đồng thời đà tính hệ số sử dụng bề mặt bên xúc tác trình reforming xăng nặng Qua nghiên cứu tính toán cộng với kết đà thu được, xin phép rút kết luận khoa học sau đây: Trên cở sở toán tỷ lượng hóa học hệ phản ứng phức tạp, phương pháp đơn giản hóa phương trình Maxwell-Stefan đà thiết lập hệ phương trình vi phân mô tả trình khuếch tán bên vật xốp hệ phản ứng hóa học phức tạp - 99 - Đà thiết lập mô hình khuếch tán bên xúc tác xốp cho hệ phản ứng reforming xăng nặng sở đơn giản hóa trình khuếch tán hệ nhiều cấu tử cách sử dụng định luật Fick I Mô hình khuếch tán bên đà giải cho phần tử xúc tác xốp hình cầu, không đẳng nhiệt phương pháp Runge-Kutta sở khai thác phần mềm Matlab 7.0.4 kết thu cho thấy cấu tử cấu tử AR (các hợp chất thơm) cấu tử NA (các hydrocacbon mạch vòng no) sản phẩm phản ứng bị kìm hÃm mạnh tượng khuếch tán bên Gradient nhiệt độ phần tử xúc tác đủ lớn Với phần tử xúc tác hình cầu đà cho có bán kính R0 = 1,9mm chênh lệch nhiệt độ tâm phần tử mặt lên đến 101,244 K Vận tốc phản ứng hệ reforming bên phần tử xúc tác nhỏ so với mặt phần tử Đà tính toán hệ số sử dụng bề mặt bên xúc tác cho thấy rằng, xem hệ không đẳng nhiệt nghĩa kể đến gradient nhiệt độ nội phần tử xúc tác, hệ số sử dụng bề mặt xúc tác thấp: 0,2132 ữ 0,2703 Khi tăng eff lên 15% hệ số sử dụng bề mặt bên xúc tác tăng từ 1,1 ữ 1,38 lần (10-38%) Từ ta thấy độ dẫn nhiệt hiệu dụng xúc tác đóng vai trò quan trọng, có tác động đáng kể đến hiệu sử dụng bề mặt bên xúc tác hệ phản ứng thu nhiệt - 100 - Tài liệu tham khảo Tiếng Việt: Mai Xuân Kỳ (1995), Mô hình hóa trình vận tải vật thĨ xèp x¶y mét hƯ ph¶n øng hãa häc phøc t¹p”, T¹p chÝ Hãa häc, 33(2), tr.63-67 Mai Xuân Kỳ (2006), Thiết bị phản ứng công nghiƯp hãa häc, NXB Khoa häc & Kü tht, Hµ Nội Mai Xuân Kỳ, Hà Thị An (1996), ảnh hưởng cấu trúc mao quản lên trình vận t¶i chÊt vËt thĨ xèp x¶y mét hệ phản ứng hóa học phức tạp , Tạp chí khoa học công nghệ, XXXIV(6), tr.37-42 Nguyễn Minh Tuyển (1981), Mô hình hóa tối ưu hóa c«ng nghƯ hãa häc, NXB Khoa häc & Kü tht, Hà Nội Nguyễn Minh Tuyển, Phạm Văn Thiêm (2005), Kü tht hƯ thèng c«ng nghƯ hãa häc, NXB Khoa học & Kỹ thuật, Hà Nội Lê Văn Hiếu (2000), Công nghệ chế biến dầu mỏ, NXB Khoa học & Kỹ Thuật, Hà Nội Nguyễn Văn Phước (1996), Mô hình hóa trình truyền nhiệt truyền khối hạt cầu dòng khí nóng, Tạp chí Khoa học Công nghệ nhiệt, No.1, tr.3-7 Nguyễn Văn Trịnh (1974), Phương pháp tính, NXB Trường Đại học Bách Khoa Hµ Néi - 101 - TiÕng Anh: R.Aris (1975), The mathematical Theory of Diffusion and Reaction in permeable catalysts, Clarendon Press, Oxford 10 R Byron, W.E Stewart and E.N Lightfood (1964), Transport Phenomena, New York/London 11 R.D.Gunn, C.I King (1969), AIChE Journal 15, p.507 12 R.Aris, Kehoe J.P (1973), G.Chem Eng Science 28, p.2094 13 P Schneider, M Cerna Coll, Czecholov (1978), Chem Commun, 43(1) 14 J Henningson, J.Bundgart, M Nielson (1979), Brit Chem Eng, 15 (11) 15 Roger G.E Franks (1972), Modeling and simulation in chemical engineering, N.Y 16 G.V Jeffreys, V.G Jenson (1963), Mathematical methods in chemical engineering, London 17 Charles N Satterfield (1970), Mass transfer in heterogeneous catalysis, Lond., MIT Pr 18 H.D Wilfried M Mortier, Robert A Schoonheydt (1997), Developments in the theory of chemical reactivity and heterogeneous catalysis, Trivandrum: Research signpost 19 J.M Thomas, W.J Thomas (1967), Introduction to the principles of heterogeneous catalysis, N.Y.: Acad, Pr 20 Hirshfeldes J., Curtis C.P and Bird R.B molecular (1954), Theory of Gases and Liquids, John Willey & Bons, NY._Chapman_London 21 J.M.Smith (1981), Chemical Engineering Kinetics, Mc.GrawHill - 102 - Tóm tắt luận văn Quá trình chuyển khối truyền nhiệt xúc tác xốp có ảnh hưởng to lớn định hoàn toàn lên hiệu phản ứng xúc tác dị thể ảnh hưởng định lượng hóa thiết lập giải mô hình cân chất cân nhiệt phần tử xúc tác xèp x¶y mét hƯ ph¶n øng hãa häc Với hệ phức tạp có nhiều cấu tử, trình vật tải chất qua khuếch tán mô tả đủ xác định luật Fick I Luận văn trình bày việc ứng dụng phương trình Maxwell-Stefan dạng có đơn giản hóa sở xem hƯ sè khch t¸n cđa mét cÊu tư hƯ nhiều cấu tử số tính mật độ dòng khuếch tán chúng theo định luật Fick I tương ứng với chế khác (có không kể đến khuếch tán Knudsen) Mô hình khuếch tán truyền nhiệt phần tử xúc tác hình cầu không đẳng nhiệt, bán kính R0 = 1,9mm đà thiết lập cho hệ phản ứng reforming xăng nặng sở kết hợp cấu tử thành nhóm xem giả cấu tử số cacbon trung bình định Mô hình đà giải phương pháp Runge-Kutta sở khai thác phần mềm MATLAB đà xác định nghiệm số phân bố nồng độ cấu tử phân bố nhiệt độ phần tử xúc tác Kết thu qua giải mô hình đà cho thấy dùng mô hình đơn giản để mô tả trình chuyển khối hệ nhiều cấu tử việc xem trình khuếch tán của mét cÊu tư hƯ nhiỊu cÊu tư nh­ lµ khuếch tán cấu tử dư thừa không đủ xác: vận tốc khuếch tán trở nên lớn, phân bố nồng độ cấu tử không gian xốp thoải nhiều so với dùng chế khuếch tán khác Với hệ phản ứng reforming thu nhiệt kết cho thấy chênh lệch nhiệt độ mặt tâm phần tử xúc tác (R0 = 1,9mm) lên đến 100 K làm cho vận tốc trình hóa học bên phần tử xúc tác giảm đáng kể hệ số sử - 103 - dụng bề mặt bên xúc tác tính vận tốc biến đổi chất tất cấu tử đạt khoảng 21-27% Tăng hệ số dẫn nhiệt lên 15%: hệ số sử dụng bề mặt bên xúc tác tăng lên 10-38% đà cho thấy vai trò trình truyền nhiệt thông qua dẫn nhiệt chất xúc tác Từ khóa: - Chuyển khối truyền nhiệt - Mô hình không đẳng nhiệt - Reforming xúc tác - Runge-Kutta - HƯ sè sư dơng xóc t¸c - 104 - Thesis summary Mass transfer and heat transfer inside porous catalyst significantly and sometimes totally impacts on the effectiveness of heterogeneous catalytic reaction That is quantified by establishing and solving the model of mass balance and heat balance in a porous catalytic particle in the participation of complex reactions With multi-component system, Fick I principle does not model mass transfer by diffusion exactly This thesis present the application of Maxwell-Stefan equation and its simplified forms basing on the consideration of diffusion coefficient of a component in muti-component system as a constant and the calculation of density of diffusion flow according to Fick I principle correlatively to different diffusion mechanism (with or without Knudsen diffusion) Model of diffusion and heat transfer in a non-isothermal spherical catalytic particle with radius R0 = 1.9mm was established for the reforming reaction system of heavy naphtha basing on the integration of components into each group of imitation components with a definite average carbon number Model was solved by Runge-Kutta method basing on MATLAB software and determined numerical solutions which were components concentration distribution and heat distribution in the catalytic particle The result of model solving indicated that it was possible to use simplified forms to model mass transfer in the multi-component system and the consideration that the diffusion of a component in multi-component system is like the diffusion of that component and one redundant component was not exact enough: diffusibility rate became too high, component concentration distribution in porous medium “sloped” more than those of other diffusion mechanisms For endothermal reforming reaction system the result indicated that difference between the temperature of outside surface and that of core of catalyst (R0 = 1.9mm) was up to over 100 K that made the rate of chemical process - 105 - inside the catalytic particle significantly decreased and that the catalyst effectiveness factor calculated regarding to mass change rate of all components only got about 21-27% Increased heat conductivity coefficient up 15%: catalyst effectiveness factor got up to 10-40% higher indicating the role of heat transfer through heat conductivity of catalyst ... bên vật thể xốp, sử dụng phép đơn giản hóa nhằm xác định định lượng ảnh hưởng trình chuyển khối truyền nhiệt bên lên trình hóa học dị thể từ tính hệ số sử dụng xúc tác hệ phản ứng hóa học dị thể... bị phản ứng xúc tác dị thể - 25 - Chương ảnh hưởng trình vận tải chất lượng hệ phản ứng dị thể mô hình khuếch tán vật thể rắn xốp Trong hệ phản ứng dị thể vận tốc hiệu dụng trình chịu ảnh hưởng. .. hệ số sử dụng bề mặt bên phản ứng bậc nhỏ phản ứng bậc Nãi chung, ë mét trÞ sè Dall nh­ hƯ số sử dụng bề mặt bên vật rắn phản ứng bậc n > nhỏ phản ứng bậc n < lớn so với phản ứng bậc Với phản ứng