[r]
(1)Giáo trình kỹ thuật thiết
(2)PHẦN II : THIẾT BỊ PHẢN ỨNG
I ĐẠI CƯƠNG
I.1 PHÂN LOẠI THIẾT BỊ PHẢN ỨNG
Dựa vào cách phân loại phản ứng hóa học mà người ta phân loại thiết bị phản ứng
sau :
I.1.a Theo pha của hệ
• Theo chất pha : thiết bị phản ứng pha khí, lỏng rắn ;
• Theo số pha :
- thiết bị phản ứng pha (đồng thể) : pha khí 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 pha phân tán
I.1.b Điều kiện tiến hành q trình • Theo phương thức làm việc:
- thiết bị phản ứng gián đoạn - liên tục
- bán liên tục
• Theo điều kiện nhiệt
- thiết bị phản ứng đẳng nhiệt - đoạn nhiệt
I.1.c Theo điều kiện thủy động • Theo chiều chuyển động pha :
- thiết bị phản ứng xi dịng, ngược dịng dòng chéo - thiết bị phản ứng dọc trục xuyên tâm
• Theo chếđộ chuyển động : - thiết bị phản ứng dạng ống ;
- thiết bị phản ứng khuấy trộn hoàn toàn - thiết bị phản ứng nhiều ngăn
• Theo trạng thái tầng xúc tác :
(3)- thiết bị phản ứng tầng xúc tác kéo theo
I.2 PHÂN LOẠI CÁC THIẾT BỊ PHẢN ỨNG THEO PHƯƠNG THỨC LÀM VIỆC
Tuỳ thuộc vào phương thức làm việc, người ta chia thiết bị phản ứng thành loại :
I.2.a Thiết bị phản ứng gián đoạn :
• Định nghĩa : thiết bị phản ứng làm việc theo mẻ, nghĩa thành phần tham gia phản ứng chất phụ gia (dung môi, chất trơ) chất xúc tác đưa tất
vào thiết bị từ thời điểm đầu Sau thời gian định, phản ứng đạt độ
chuyển hóa yêu cầu, người ta cho dừng thiết bị tháo sản phẩm
• Ưu điểm :
- Tính linh động cao : dùng thiết bịđó để thực phản ứng khác tạo sản phẩm khác
- Đạt độ chuyển hóa cao khống chế thời gian phản ứng theo yêu cầu - Chi phí đầu tư thấp phải trang bị thiết bịđiều khiển tựđộng
• Nhược điểm :
- Năng suất thấp thời gian chu kỳ làm việc dài : địi hỏi thời gian nạp liệu, đốt nóng, làm nguội, tháo sản phẩm làm thiết bị
- Mức độ giới hóa tựđộng hóa thấp
- Khó điều chỉnh khống chế q trình tính bất ổn định phương thức làm việc gián đoạn
- Mức độ gây độc hại nguy hiểm người sản xuất cao mức độ tự động hóa thấp, người cơng nhân phải tiếp xúc nhiều với hóa chất
• Phạm vi ứng dụng :
- Chỉ thích hợp với phân xưởng suất nhỏ
- Phục vụ cho mục đích sản xuất nhiều loại sản phẩm khác thiết bị
I.2.b Thiết bị phản ứng liên tục :
• Định nghĩa : thiết bị mà chất tham gia phản ứng đưa liên tục vào thiết bị sản phẩm lấy liên tục Sau thời gian khởi động nhiệt độ, áp suất, lưu lượng nồng độ chất tham gia phản ứng không thay đổi theo thời gian, thiết bị làm việc trạng thái ổn định
• Ưu điểm :
- Có khả giới hóa tựđộng hóa cao
- suất cao khơng tốn thời gian nạp liệu tháo sản phẩm - chất lượng sản phẩm ổn định tính ổn định q trình
(4)- Chi phí đầu tư cao, trước hết đòi hỏi phải trang bị thiết bị tự động điều khiển đểđảm bảo tính ổn định q trình
- Tính linh động thấp, có khả thực phản ứng khác nhau, tạo sản phẩm khác
• Phạm vi ứng dụng : thiết bị phản ứng liên tục sử dụng thích hợp cho trình sản xuất với suất lớn, chất lượng sản phẩm đảm bảo
I.2.c Thiết bị phản ứng bán liên tục :
• Định nghĩa : thiết bị mà có thành phần chất tham gia phản ứng đưa vào gián
đoạn chất khác đưa vào liên tục Sản phẩm lấy gián đoạn hay liên tục
• Phạm vi ứng dụng : thực q trình khơng có khả thực theo phương thức liên tục, thực theo phương thức gián đoạn lại cho suất thấp
¾ ⇒ Khi tính tốn thiết kế thiết bị phản ứng phải dựa yêu cầu sản xuất (năng suất chất lượng sản phẩm) Trên sở phương trình cân vật chất cân nhiệt - phương trình tốn học mơ tả quan hệ thông sốđộng học, nhiệt động điều kiện thực q trình với thơng số đặc trưng cho kích thước hình học thiết bị thể tích, chiều dài thiết bị, thời gian lưu, từ tính tốn kích thước thiết bị
I.3 NHIỆM VỤ THIẾT KẾ THIẾT BỊ PHẢN ỨNG
• Thiết kế thiết bị phản ứng xác định kích thước thiết bịđó đểđạt hiệu suất thu sản phẩm mong muốn, đồng thời xác định nhiệt độ, áp suất thành phần hỗn hợp phản ứng ởđiều kiện vận hành phần khác thiết bị
• Các số liệu cần thiết hay gọi điều kiện thiết kế bao gồm :
- Các liệu ban đầu dòng nguyên liệu : lưu lượng, nhiệt độ, áp suất, thành phần chất tham gia phản ứng,
- Chếđộ vận hành thiết bị : gián đoạn liên tục, đoạn nhiệt đẳng nhiệt,
- Yêu cầu suất chất lượng sản phẩm
• Thiết kế tối ưu dựa nguyên liệu, chi phí ban đầu, chi phí vận hành giá trị thương mại sản phẩm cuối
I.4 CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ CÂN BẰNG NHIỆT TỔNG QUÁT
I.4.a Cân bằng vật chất
• Cân vật chất cho tác chất viết dạng tổng quát áp dụng cho dạng thiết bị phản ứng
(5)Lượng tác chất nhập vào phân −
tố thể tích
Lượng tác chất rời khỏi phân −
tố thể tích
Lượng tác chất phản ứng = phân tố thể tích
Lượng tác chất
còn lại (III-1) phân tố thể tích
• Hai số hạng biểu diễn khối lượng tác chất vào khỏi phân tố thể tích khoảng thời gian ∆t ;
• Số hạng thứ ba phụ thuộc vào vận tốc phản ứng phân tố thể tích ∆V có dạng r.∆V.∆t với r - phương trình vận tốc phản ứng hóa học khơng có trở lực vật lý (gradient nhiệt độ nồng độ)
• Số hạng thứ tư biểu diễn lượng tác chất lại phân tố thể tích ∆V sau khoảng thời gian ∆t phản ứng ;
• phương trình (5-1) tính theo khối lượng theo mol
I.4.b Cân bằng nhiệt
• Cân nhiệt nhằm mục đích xác định nhiệt độ điểm thiết bị phản ứng (hay thời điểm thiết bị hoạt động gián đoạn) để xác định vận tốc điểm
đó
• Trong phân tố thể tích ∆V phân tố thời gian ∆t, phương trình cân nhiệt tổng quát cho thiết bị phản ứng :
Nhiệt tác chất mang vào phân −
tố thể tích
Nhiệt tác chất mang khỏi + phân tố thể tích
Nhiệt trao đổi với mơi trường = bên ngồi
Nhiệt tích tụ
lại phân (III-2) tố thể tích
• Dạng phương trình (III-1) (III-2) phụ thuộc vào loại thiết bị phản ứng phương pháp vận hành Trong nhiều trường hợp, nhiều số hạng phương trình
khơng có Quan trọng khả giải phương trình cịn phụ thuộc vào giả
thiết vềđiều kiện khuấy trộn hay khuyếch tán thiết bị phản ứng Điều giải thích ý nghĩa việc phân loại thiết bị phản ứng thành dạng : dạng khuấy trộn dạng
ống
II MÔ TẢ MỘT SỐ DẠNG THIẾT BỊ PHẢN ỨNG
ĐỒNG THỂ CƠ BẢN
II.1 Thiết bị phản ứng liên tục
Đối với dạng thiết bị này, ta phân thành loại :
II.1.a Thiết bị phản ứng dạng ống :
(6)V.4.c.2 Giai đoạn khuyếch tán qua lớp tro giai đoạn kiểm soát
Trong trường hợp này, việc phân tích thiết lập phương trình vận tốc phức tạp lõi chưa chuyển hóa lúc co lại làm cho bề dày lớp tro ngày tăng thêm, nghĩa trở lực lớp tro tăng theo thời gian Ta chia giai đoạn thành giai đoạn nhỏ :
♦ Giai đoạn : giai đoạn này, xem kích thước lõi không đổi, A khuyếch tán qua lớp tro để vào bên Điều hợp lý A di chuyển qua lớp tro với vận tốc gấp ngàn lần vận tốc lõi co rút (tương ứng với tỉ số khối lượng riêng chất rắn chất khí) Do gradient nồng độ A qua lớp tro không đổi theo thời gian Ở trạng thái ổn định này, vận tốc phản ứng tương ứng với vận tốc khuyếch tán qua mặt cầu lớp tro Aïp dụng định luật Fick II :
( )5 . dr dC D r 4 dt dN A Ae
A = π
−
Trong đó, DAe hệ số khuyếch tán tác chất khí qua lớp tro, m2/s Thường khó
xác định giá trị đại lượng tính chất lớp tro nhạy với tạp chất không tinh khiết chất rắn biến đổi mơi trường xung quanh hạt
Lấy tích phân qua lớp tro với r biến thiên từ R đến rc :
∫ ∫ = = π =
− C
C C A Ae r R A Ac Ar Ak c dC D 4 r dr dt dN .
⇒ . Ae Ak ( )6
c
A 4 D C
R 1 r
1 dt
dN = π
⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − −
Giai đoạn : giai đoạn này, ta cho kích thước lõi chưa phản ứng thay đổi theo thời gian Lõi lúc giảm dần kích thước bề dày lớp tro tăng lên, làm giảm thơng lượng khuyếch tán A Phương trình vận tốc chứa biến số : t, NA,
rc, phải khử bớt biến theo biến trước lấy tích phân ♦
Thay phương trình (3) vào (6), tách biến số lấy tích phân ta :
∫ ∫ ⎟⎟ = ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − ρ − t Ak Ae r R c c c
B r1 R1 r dr bD C dt
c
.
Hay thời gian cần thiết để đạt đến độ chuyển hóa :
⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − ρ
= c c
Ak A B R r 2 R r 3 1 C D b 6 R t
Thời gian θđể hạt rắn phản ứng hoàn toàn ⇔ rc = 0, ta có : ( )7 Ak A B C D b 6 R ρ = θ c c R r 2 R r 3 1 t ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − = θ ⇒
Hay tính theo độ chuyển hóa xB hạt rắn : t =1−3(1−xB)2 3+2(1−xB)
θ
(7)Trong trường hợp này, phản ứng không chịu ảnh hưởng lớp tro mà phụ thuộc vào bề
mặt lõi : Do đó, biểu thức vận tốc phản ứng cho phương trình (1), (2) (3) :
2 c
c 4 r
S = π
( )8 k
b r Ak
A c B c C dt dN r 4 b dt dN r 4 1 = ⋅ π − = ⋅ π −
Với kr số vận tốc phản ứng bậc xảy bề mặt lõi, s-1
Kết hợp (5) (3), ta : c B c bkr Ak
2 c B c C dt dr dt dr r 4 r 4
1 ⋅ ρ π =−ρ ⋅ =
π −
Hay : −ρ ⋅ ∫ = ∫t
0 Ak r r
R c
B dr bk C dt
c
Suy ra, thời gian cần thiết đểđạt đến độ chuyển hóa : ( c)
Ak r
B R r
C k b
t= ρ −
Thời gian θđể hạt rắn phản ứng hoàn toàn ⇔ rc = 0, ta có : ( )9
Ak r B C k b R ρ = θ
( )1 B
c 1 1 x
R r 1
t = − = − − /
θ ⇒
V.4.c.4 Biểu thức vận tốc trường hợp tổng quát
Các trở lực trrên xảy nối tiếp nhau, ta kết hợp trở lực theo cách : Thời gian cần thiết để đạt đến độ chuyển hóa tổng thời gian cần thiết để vượt qua trở lực : tΣ =tphim +ttro +tli
♦
Hay chuyển hóa hồn tồn : θΣ =θphim +θtro +θli
♦
Kết hợp trở lực riêng biểu thức vận tốc tổng quát :
( ) ( ) r c Ae c c k A A A k r R D r r R R k 1 C b dt dN S 1 r + − + − = ⋅ − = − ♦ Hay
( ) ( )9
r Ae c c k 2 c B B c k 1 D R r r R k R r C b dt dr + − + ρ = −
(8)( )7 r
Ae r
A A
r A
k 3 D
2 R k
1 C C
k dt dN S
1
+ +
= =
⋅ −
Ví dụ :
Nung quặng ZnS :
1- Dưới dạng hạt hình cầu đường kính mm dịng khí chứa 8% oxygen
900oC Phản ứng xảy theo phương trình sau :
2ZnS + 3O2⇒ 2ZnO + 2SO2
giả sử phản ứng xảy theo mơ hình lõi chưa chuyển hóa, tính thời gian cần thiết để chuyển hóa tồn hạt
2- Lặp lại q trình tính tốn với đường kính hạt 0,2 mm Biết : - khối lượng riêng hạt rắn : 4,13 kg/m3
- số vận tốc phản ứng : kr = cm/s
- áp suất : at