Một số thiết bị phản ứng trong ngành công nghệ hóa học với việc đi sâu tìm hiểu đặc điểm và các tính toán trong thiết bị

- Đạt độ chuyển hóa cao do có thể khống chế thời gian phản ứng theo yêu cầu - Chi phí đầu tư thấp do ít phải trang bị các thiết bị điều khiển tự động  Nhược điểm : - Năng suất thấp do

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

I Phân loại thiết bị phản ứng 3

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

II Một số thiết bị phản ứng cơ bản 8

2.1 Thiết bị phản ứng liên tục 8

2.1.1. Thiết bị ống dòng PER (Plug flow reactor) 8

2.1.1.1 Đặc điểm thiết bị 8

2.1.1.2 Tính toán trong thiết bị ống dòng 10

2.1.2 Thiết bị khuấy lý tưởng liên tục 13

2.1.2.1 Đặc điểm thiết bị 13

2.1.2.2 Tính toán trong thiết bị phản ứng khuấy lý tưởng liên tục 15

2.2 Thiết bị phản ứng gián đoạn 19

2.2.1 Thiết bị khuấy lý tưởng gián đoạn BR (Batch reactor) 19

2.2.1.1 Đặc điểm thiết bị 19

2.2.1.2 Tính toán trong thiết bị 20

2.3 So sánh các thiết bị phản ứng đơn giản 24

2.3.1 So sánh các thiết bị phản ứng đơn giản 24

2.3.2 Các bài toán ví dụ: 24

2.4 Hệ nhiều thiết bị phản ứng 27

2.4.1 Dãy thiết bị phản ứng nối tiếp (Hệ cascade) 27

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 phẩmhóa học Trong quy mô công nghiệp, quy trình sản xuất hoặc xử lý hóa chất tạo ra các sảnphẩm mong muốn với yêu cầu về hiệu quả và chi phí tốt nhất luôn là bài toán khó đối vớidoanh nghiệp Do đó việc nghiên cứu tìm hiểu sâu sắc một số thiết bị phản ứng sẽ giúpchúng ta có được tầm nhìn tốt để lựa chọn giải pháp tối ưu trước khi bắt tay vào quy trìnhhoạt động của nhà sản xuất Để đáp ứng yêu cầu đó, nhóm thực hiện tìm hiểu đề tài vềmột số thiết bị phản ứng trong ngành công nghệ hóa học Với việc đi sâu tìm hiểu đặcđiểm và các tính toán trong thiết bị …….(hoàn thiện sau)

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

I Phân loại thiết bị phản ứng

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 phảnứng và các chất phụ gia (dung môi, chất trơ) hoặc các chất xúc tác được đưa tất cả vàothiết bị ngay từ thời điểm đầu Sau thời gian nhất định, khi phản ứng đã đạt được độchuyển hóa yêu cầu, người ta cho dừng thiết bị và tháo sản phẩm ra

 Ưu điểm :

- Tính linh động cao : có thể dùng thiết bị đó để thực hiện các phản ứng khác nhau tạo ra

- Đạt độ chuyển hóa cao do có thể khống chế thời gian phản ứng theo yêu cầu

- Chi phí đầu tư thấp do ít phải trang bị các thiết bị điều khiển tự động

 Nhược điểm :

- Năng suất thấp do thời gian một chu kỳ làm việc dài : đòi hỏi thời gian nạp liệu, đốtnóng, 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 việcgián đoạn

- Mức độ gây độc hại hoặc nguy hiểm đối với người sản xuất cao hơn do mức độ tựđộng 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, lưulượng và nồng độ các chất tham gia phản ứng không thay đổi theo thời gian, thiết bị làmviệc ở trạng thái ổn định

- 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

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

=

 Khái niệm độ chuyển hóa

Để thuận tiện cho việc theo dõi và nghiên cứu những tính toán trong các thiết bịphản 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 tuyếntính: 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 nghĩabằng hệ thức:

= (4)

Từ (1)và (3) ta có: CA=

CA = CA0 (5)

Ví dụ1: A 2R +S

=

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

II Một số thiết bị phản ứng cơ bản.

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

Trong thiết bị phản ứng kiểu này dòng chất phản ứng chảy theo một dòng chảy đều dặndọc theo ống phản ứng, do đó xem như không có sự khuếch tán dọc theo dòng chảy vàkhông có sự khác nhau về tốc độ đối với bất kỳ điểm nào của dòng chảy Điều này cónghĩa là vật chất (các chất phản ứng) chảy qua thiết bị ống dòng này theo một dòng nhấtchảy đều đặn và liên tục Thực ra, đối với thiết bị ống dòng có thể xảy ra sự khuấy trộndòng chảy, tuy nhiên nhất thiết phải không có sự khuấy trộn dọc theo chiều chuyển độngcủa 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 theochiều dọc Nồng độ và nhiệt độ tại một điểm của ống là không đổi theo thời gian Thiết bịống dòng lý tưởng còn được gọi là thiết bị phản ứng tĩnh và không đồng nhất vì nồng độchất 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 độchính xác mong muốn Tuy nhiên đối với ống dòng thì chỉ có khả năng đạt gần đến trangthái lý tưởng Qua đó ống dòng lý tưởng được xem xét như là không có sự trộn lẫn giữacác nguyên tố thể tích kế tiếp nhau nạp vào ống và tốc độ dòng trên toàn bộ mặt cắt củaống 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 củathiết 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 đồsau:

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 Atích 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

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

→ R

Biết rằng nồng độ của chất A ban đầu là CAo= 2mol/l và phương trình phản ứng lên menchất A ở nồng độ enzym trên như sau:

II.1.2 Thiết bị khuấy lý tưởng liên tục

II.1.2.1 Đặc điểm thiết bị

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

C Ao

C A

C A t

Thiết bị khuấy trộn lý tưởng liên tục

Người ta giả sử rằng ở đầu vào của thiết bị phản ứng , nồng độ của các chất giảmmột 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 đầuvào 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 mẻnên 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 ứngcủa thiết bị khuấy trộn liên tục sẽ lớn hơn Cũng có nghĩa là trong cùng một thời gianphản ứng, thiết bị khuấy trộn liên tục cho sản phẩm đầu ra có chất lượng kém hơn thiết bịkhuấy trộn gián đoạn

Với một thể tích phản ứng lớn, việc đảm bảo chế độ phản ứng (nhiệt độ, khuấytrộn …) của cả thiết bị CSTR và BK đều trở nên khó khăn

II.1.2.2 Tính toán trong thiết bị phản ứng khuấy lý tưởng liên tục

 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

FAo = FA + (-rA).V

Gọi XA: độ chuyển hóa chất A (XA không có thứ nguyên, thể hiện mức độ sâu sắc củaphản ứng chuyển hóa)

XA = = hay FA = FAo (1- XA)

Lượng chất A đi vào (mol/đơn vị thời gian): F Ao = C Ao ×

Lượng chất A đi ra (mol/đơn vị thời gian): F A = F Ao (1 – X A )

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

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

Thay vào phương trình * ta có = =

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

=

 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, khôngphụ thuộc vào việc phần thể tích đó đã ở trong thiết bị phản ứng bao lâu, nên thời gianthực là không như đối với mỗi phần tử trong trường hợp này có thể đưa ra khái niệm thờigian lưu trung bình

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

Như vậy: V= V0(1+ XA)

Thời gian lưu trung bình: = = =

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

Khi thể tích thiết bị phản ứng tăng 6 lần thì

b)

Do thiết bi 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

Là loại thiết bị phản ứng làm việc theo từng mẻ không có dòng vào dòng ra Cácchất phản ứng ban đầu được đưa vào trong bình và khuấy trộn đều tại một nhiệt độ xácđịnh, sau khoảng thời gian nhất định lấy toàn bộ sản phẩm ra và nạp tiếp nguyên liệu đầuvào 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 ứngcho 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 tốtcho các nghiên cứu thực nghiệm quy mô nhỏ về động học của các loại phản ứng Loạithiết bị này trong thực tế chỉ được áp dụng khi một lượng nhỏ chất phản ứng được sử

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

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) thayđổi 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:

- 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)

- 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 làmviệc cho sản phẩm đầu ra liên tục

II.2.1.2 Tính toán trong thiết bị

 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 đổithăng giám 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

Thì và XA=

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

 Khi thể tích phản ứng thay đổi

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

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

Điều kiện Thiết bị khuấy lý tưởng

gián đoạn

Thiết bị ống dòng Thiết bị khuấy lý tưởng

liên tục IMRV=const

Ví dụ 2: Nước thải chứa chất hữu cơ A cần được xử lý trong thiết bị khuấy lý tưởng liên

tục (-rA)=kCA; k=2.10-4 (ph)-1

Thể tích hữu ích của thiết bị phản ứng là 20m3, mức độ xử lý cần đạt được là 90% Trongquá trình xử lý có thể xem thể tích hỗn hợp phản ứng không đổi

a) Xác định tốc độ dòng thể tích cần thiết cho quy trình xử lý trên

b) Xác định tốc độ dòng thể tích cần thiết trong trường hợp xử lý với thiết bị ốngdòng có thể tích cũng là 20m3 Các điều kiện của quá trình xủa lý được giữ nguyên

Đáp án

b)

Ví dụ 3: Phản ứng A 2R+S xảy ra ở điều kiện đồng thể pha khí trong thiết bị khuấy lý

tưởng gián đoạn BR ở áp suất không đổi Hỗn hợp các chất ban đầu 75%A và 25% chấttrơ Thể tích hỗn hợp phản ứng tăng gấp đôi sau 8 phút

Hãy xác định:

a) Độ chuyển hóa đạt được khi đó

b) Trong trường hợp tiến hành phản ứng trong thiết bị ống dòng với tốc độ nạp liệu500l/giờ (8,3 l/ph) thì thể tích của thiết bị phản ứng phải bằng bao nhiêu để đạtđược độ chuyển hóa nói trên

Cho biết phản ứng này là phản ứng bậc 1