Các quá trình thiết bị trong công nghệ hóa chất và thực phẩm : Các quá trình hóa học part 9 pot

Cân xác định: a áp suất riêng phần của các cấu tử trong hỗn hợp đầu; b lưu lượng mol của hỗn hợp khí vào tháp tổng hợi © nông độ mol của các cấu tử trong hỗn hợp; 229... Vay En = En,

Hình 5.88 Lò đốt klinker (loại lò quay):

1 lò quay tạo klinker và CaO;

2- bốn xyclon để đốt nóng nguyên liệu đầu khi vào;

Hỗn hợp thu được, tiếp tục được gia công tạo thành sản phẩm cho

các công nghệ tiếp theo hoặc dùng làm khí đốt Trong vùng sấy của là than chứa 19 + 21% nước sẽ được làm khô và tiếp theo được tách kiệt khí

nhẹ (các phần nhẹ trong than gồm nhựa đường, CHạ, H; và CO;) Trong:

vùng khí hoá than thực hiện các phẩn ứng chính:

16750 kd/m* (6 0°C và 0,101 MPa) Hoi nuée

dùng tạo hạt các tro thải (với thỏi than nâu cần

1- thân lò; 2: buồng than vào; 3- buồng tro thải ra,

Á- phễu tách; 5- cửa quay; 6- môtơ; S1- cửa khí ra,

S2- cửa áp lực; S3- cửa giảm áp lực; S4- cửa phương

tiện khí hoá vào; S5- cửa cung cấp nước; Sẽ- cửa há

226

Chuong 6

Vi DU VÀ BÀI TẬP

6.1 VÍ DỤ

611 Cho trường skala nồng độ trong không gian CŒy,z) = (xỀ + y + z2)1⁄2

Tìm giá trị của gradient, thế năng tại P(0,5; 0,1; 0,3) va phần tăng của

thế năng theo hướng vects duing dS = 0,0037 + 0,037°+ 0,002.8

6.1.2 Tinh divergenz cia trudng vects W(ey.2) = wet + wyJ + wyk v6

vận tốc thành phần:

CA x+y+z

©) thừa số khuếch tán trong phương trình cân bằng tổng quát;

4) biểu diễn biến thiên mật độ dòng khuếch tán trên đồ thị

Các giá trị cho:

Theo dinh luat Fick:

ele) = -DeradC = -D [z si TC

b) Mật độ dòng khuếch tần cực đại:

Để đơn giản tính toán lấy œ = 1 Giá trị cực đại của mật độ dòng

khuếch tán tại các điểm x = 0, x, 2m, 3m,

6.1.4 Téng hợp amoniae là phương pháp rất quan trọng trong công nghệ

hoá chất, vì NHạ được dùng cho nhiều ngành công nghiệp khác nhau,

hàng ngày có thể sản xuất đến 1000 tấn

“Tổng hợp amoniac được thực hiện ở áp suất 300 bar và nhiệt độ

673°K Phương trình phản ứng của amoniac: 3H; + N;S= 2NH;,

Lưu lượng khí vào thiết bị 83 mŸ/s tiêu chuẩn

Hỗn hợp khí ra khỏi thiết bị chứa 15% thể tích NHạ Lượng khí chưa

được chuyển hoá trộn với khí lạnh để đưa vào thiết bị Quan hệ tỷ lệ giữa

hydro và nitơ trong hỗn hợp phản ứng là 3: 1

Để đơn giản tính toán cơi hỗn hợp phản ứng vào tháp chỉ chứa hydro

và nitd

Cân xác định:

a) áp suất riêng phần của các cấu tử trong hỗn hợp đầu;

b) lưu lượng mol của hỗn hợp khí vào tháp tổng hợi

©) nông độ mol của các cấu tử trong hỗn hợp;

229

d) khéi lugng amoniac được tổng hợp (tính theo giờ);

©) độ chuyển hoá của hydro;

Ð lượng khí tổng hợp trong một năm (tính theo mét khối tiêu chuẩn,

coi mỗi năm làm việc 8000 h)

GIẢI:

a) Ap suất riêng phần của từng cấu tử trong hỗn hợp phản ứng vào

tháp được tính dựa vào định luật Dalton:

SN:

ny = Vay XoHy = = 0,75 va xox, = 0,25

Tính được áp suất riêng phần:

ĐN, = xen, P = 0,15 x 300 = 75 bar

Pu, = Xo -P = 0,75 x 300 = 225 bar b) Lượng mol vào tháp:

Tổng lượng mol vào tháp được tính dựa vào phương trình khí lý tưởng:

Hoặc có thé tinh theo quan hệ:

Njp = XEN,

nạn, = 0,25 x 3,75 = 0,9375 kmol/s = 3,375.10° kmol/h

Nox, = 0,75 x 3,75 = 2,8125 kmol/s = 10,125.10° kmol/h

Để xác định lưu lượng hỗn hợp ở điều kiện làm việc dựa vào quan hệ:

Vậy lưu lượng thể tích của hỗn hợp phản ứng ở điều kiện làm việc

Vay En = En, ~ 2A2, vi non, = 0

Do phản ứng không bền vững về thể tích (có sự thay đổi số mol trong

pha khf), nên phải thiết lập quan hệ cân bằng có sự tham gia của đại lượng phụ thuộc vào thể tích (đại lượng intensiv)

Từ phương trình cân bằng vật liệu ta nhận được quan hệ bao gồm

phần mol vào và ra khỏi tháp và bước phần ứng:

véi 6 = 5, do non, =0, xonn, =0 0

“Theo đầu bài phần mol của NH; vào tháp XonHy = 0 và ra khỏi tháp

yn, = 0,15, nên ta tính được:

ANH; _ 0õ

Š y8 - 2+03 = 0,0652

Từ phương trình cân bằng vật liệu tính được số mol amoniac:

ANH, = Monty + 28'Eng

= 2 x 0,652 x 3,75 =

489 kmol/s = 1,76 kmol/h Khối lượng của amoniae thu được:

ta mm ee is V6i Non, = XoH, En,

Voy Up, = 2 EM, = 88 = 9200852 - gai

) Lugng khi téng hop:

232

Từ sự giảm thể tích trong quá trình-phẩn ứng của hỗn hợp khí được

sử dụng theo quan hệ khí lý tưởng ta có:

Lượng mo] amoniac được sản xuất trong một giờ được xác định ở mục

4), nên lượng khí tổng hợp được đưa vào:

tổng hợp là 6,39.10” mŸ/năm

61.õ Trong kỹ thuật quá trình tổng hợp amoniac được phân biệt bởi thành phần của hỗn hợp khí di vào và ra khỏi thiết bị

Hệ thống thiết bị được mắc theo sơ đổ hình 6.1 Trên đó được đặt các

điểm đo nông độ như ở bảng 6.1

Bang 6.1 Số liệu đo thành phần của hỗn hợp ở các vị trí khác nhau

Hình 6.1 Hệ thống tổng hợp amoniae có tuần hoàn

Vì nitơ lấy từ không khí, nên hỗn hợp khí trong hệ thống chứa đủ

nitơ tương ứng lượng metan lấy từ quá trình metan hoá cacbon monoxiL +) Tính quan hệ giữa lượng khí tuần hoàn và khí ban đầu, dé lượng

khí trơ vào thiết bị tổng hợp không quá 15,1 phần trăm thể tích

b) Tính thành phần của hỗn hợp khí ra khỏi thiết bị tách NHạ tuần ˆ hoàn trở lại (vị trí IV)

©) Tính lưu lượng thể tích (mŸ/h tiêu chuẩn) qua vị trí II và II, khi lượng khí vào thiết bị 3.10” mỶ/h (tiêu chuẩn) (vị trí ])

4) Tính lượng khi (mŸ/h tiêu chuẩn) tách khỏi dòng tuần hoàn tại vị

trí 2 để đạt lượng khí trơ tuần hoàn

GIẢI:

a) Quan hệ giữa khí tuần hoàn và khí vào:

Vì thành phần của hỗn hợp khí tai vị trí IV chưa biết, nên lập cân

bằng của từng cấu tử tại vi tri I Theo quan hệ của cân bằng vật liệu

MN, = BẠN, + M5Ny hOẶC nạn; = mịn, — nạN,

"ỊCH, = ñẠcH, † "go, hoặc acu, = mịcH, - Rạch,

mea = "arc + nạgG hoặc nạpg =

HEG ~ "5EG

_ Amoniac được tách ra khỏi dòng nạ trong thiết bị tách (phan ly) Do

_ đó tất cả phần mol ở vị trí II thay đổi so với vị trí IV và có quan hệ:

nh = tines neue rae ra nhac ON

Mach, ACH, ~ "5CHy

VÀ HẠGH, = McH, ~ "SCH,

Phan mol duge tinh:

Nhu vậy để đạt được thành phần của hỗn hợp vào tháp quan hệ giữa

khí tuần hoàn và khí vào là 3,49 / 1,

b) Thành phần của hỗn hợp khí ra khỏi thiết bị phân ly:

Tại điểm trộn giữa hai khí 1 ta có:

©) Lưu lượng thể tích ở vị trí II và III:

Cân bằng vật liệu ở vị trí II sau khi ra tháp tổng hợp:

HạNH; = mình, + 2ÁA, hạn, = nạn, ~ 340

Nang = Non, MscH, = N2cH,

Dựa vào phương trình:

Quan hệ trộn giữa khí tuần hoàn và khí vào ø được tính để bảo đảm

lượng khí trơ không quá 15,1% Tuy nhiên với quan hệ a dòng mol ø là

hằng nếu toàn bộ lượng khí tuần hoàn nạ không được trộn với khí vào, tức là phải tách một phần lượng n; ra để cân bằng dòng thể tích Lượng

thể tích Vụ được tách ra khỏi đòng tuần hoàn tại vị trí 2 được tính:

Từ kết quả tính toán ta nhận thấy, đồng mol của khí trơ không thay

đối trong đòng tuân hoàn Để nổng độ của khí trơ (CH, và EG) trong

tháp tổng hợp sẽ không đổi tại các điểm đo cần: nạy = mị (lượng mol trơ

vào = lượng mol trợ ra), tức là:

Vậy để có lượng trơ vào tháp tổng hợp tối đa 15,1% thì lượng khí cần

phải tách khỏi dòng tuần hoàn Vạ = 1,31 mŠ/s

237

6.1.6 Quan hệ cân bằng có vai trò quan trọng trong tổng hợp amoniae,

Dùng xúc tác làm tăng quá trình, tuy nhiên vị trí cân bằng không thay

đổi Phương trình phản ứng: 3H; + NyS= 2NH;

©) Độ chuyển hoá ở vị trí cân bằng thay đổi như thế nào khi nhiệt độ

giảm từ 373°K (P = 200 bar, #v,Cp = const),

4) Với phản ứng 2N; + 6H,OS> 4NH; + 3O;, cần xác định vị trí cân

bằng theo nhiệt động (7 = 673°K, P = 200 bar)

Các thông số vật lý cho ở 298°K theo bảng 6.2

Bang 6.2

Chat Hàm nhiệt liên két | Entropi tiéu chuẩn on

Nhiệt hoá hơi (hàm nhiệt) của nước ở 273°K là 926,8 kJ/kg, Mu,

=17,024 g/mol

GIẢI:

a) Tinh nhiệt phản ứng:

Nhiệt phản ứng được xác định theo công thức:

Qh = -AA.AHy, với AH+ = >vjAH, = Ev\AHy vi EvjCp; = 0

Cy thé: AH =-3AH oy, + 2AH NH, - AH,y, =~92,45 kJ/mol

Am; 9

Qn = - S7NHs ay, = 10°x 92.46 vạn, MET “patron - 2114-10” kjJ/ngày = 10° kh

Lượng hơi đốt có năng lượng tương ứng Q„ được tính

- Độ chuyển hoá khi phản ứng đạt cân bằng Ứ„a„

- Xác định hằng số cân bằng theo công thức:

(Son; + 28)" 28)(1 - 28)° Canty + 25)(1 = 28)"

(1-2)? (ony — EN otty ~35)°P? (yn, — Ron, — 38)"

#oNạ =Ó/25, xoH, =0,75 vA xonn, =0

Ve dé thị có truc tung 1a Kp(7)P va truc hoanh š ta được:

Vì phản ứng xảy ra với sự thay đổi số mol, tức thể tính thay đổi, nên:

n=n,+AAEv, hoặc = =1+8y,

Vậy độ chuyển hoá được tính ở phản ứng đạt cân bằng:

sa

+ _ 00684 _

UN, = ppp = 0.2776

©) Độ chuyển hoá cân bằng ở nhiệt độ 673°K:

Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của hằng số cân bằng được biểu thị theo

phương trình của Gib-Helmholtz:

d) Xác định vị trí cân bằng của phản ứng 2N; + 6H;O = 4NH; + 30):

theo phương pháp nhiệt động không xảy ra Sự cháy của amoniac (phản

ứng nghịch) để tạo thành NO sẽ xây ra với thời gian rất ngắn, nhỏ hơn

10s, để tạo thành sản phẩm trung gian là nitơ oxyt khi bắt đầu phản ứng,

61.7 Phan ing xay ra theo phương trình tỷ lượng: 5 "

ts

A+B 20> D+ESP

Phuong trình vận tốc phản ứng với bậc phản ứng được tính theo hệ

số tỷ lượng Cấu tử Œ được coi là sản phẩm trung gian kém bền vững Bước quyết định phản ứng là A + B -› 2C Ngoài ra coi rạ ~ rạ Biểu diễn yận tốc phản ứng của các cấu tử theo nỗng độ Cụ, Cy, Cp va Cr

Dựa vào vận tốc phản ứng tính được sự biến đổi của các cấu tử:

R, = Syn,

Vay:

243

Theo nguyên ly Bodenstein thi Rc = 0 1A chat trung gian

Cần xác định bậc phản ứng và hằng số vận tốc phản ứng

GIẢI:

Để xác định bậc và hằng số vận tốc phản ứng người ta tiến hành

thực nghiệm trong thiết bị khuấy gián đoạn hoặc liên tục Dựa vào

phương trình cân bằng vật liệu để tính

24

Trong binh khudy gian doan, dang nhiét thi w = 0 va T = const, nén

Xhông tổn tại phương trình cân bằng nhiệt và cân bing động lượng

B;fAC; = 0, chi tén tai mot pha

Vậy phương trình cân bằng vật liệu:

tot = (Gay Galea

nơi

Thứ nguyên của # phụ thuộc vào bậc phản ứng (5):

mol" s )

Vì n = 3 nên & có thứ nguyên (//molÊ.s)

61.9 Sản xuất chất polyme từ nguyên liệu styren theo nhiều phương án khác nhau Theo phương pháp tổng hợp từ styren và polybutan để tạo

thành polystyren sz trong bình khuấy đẳng nhiệt, gián đoạn Cho sự

thay đổi nổng độ R„, = -k Cả” với ke = 3,33.101' 1®3/molĐ5.h và năng

lượng hoạt hod Ey = 97,21 kJ/mol

Cần xác định:

a) Quan hệ giữa độ chuyển hoá và thời gian U = f(t) trong binh khuấy gián đoạn tại 7 = 368”K và nồng độ đầu C„„„ = 7,88 mol/l;

b) Sự sai lệch theo thời gian phản ứng, nếu trong phạm vi của độ

chuyển hoá 30% có nhiệt độ (368 + 3)°K;

©) Khối lượng của polystyren sz được tạo thành trong thiết bị có thể

tích 10 mỸ, độ chuyển hoá 30% tính theo thể tích hỗn hợp đầu, nếu hỗn

hợp đầu chứa 96% styren và 4% polybutan phân khối lượng Lượng

polybutan chuyển hoá hoàn toàn

GIẢI:

a) Quan hé U = f(t):

ĐỀ xác định quan hệ giữa độ chuyển hoá và thời gian phan ting ty

người ta dựa vào phương trình cân bằng vật liệu trong thiết bị khuấy

gián đoạn:

dn _ GaRV

vi R= -kC*? va theo gid thiết thể tích không đổi, nên:

247

Từ đổ thị cho thấy, độ chuyển hoá đạt 30% ở thời gian 26,1 h tại

368K Nếu nhiệt độ thay đổi, hằng số vận tốc phản ứng thay đổi theo,

nên thời gian phản ứng cũng thay đổi Khi nhiệt độ thay đổi 3°K thì

hằng số vận tốc phản ứng và thời gian phản ứng thay đổi nếu U = 30%

vẫn giữ nguyên

248

|

tạm = 20,08 h ; #ag; = 33,79 h (giá trị tính toAn tgq = 26,1 h)

Xết quả tính toán cho thấy, nhiệt độ thay đổi 3 độ, thời gian phản

ứng thay đổi 25% Qua đó có thể kết luận, một mặt phải giữ nhiệt độ hông đổi (chính xác), mặt khác kích thước thiết bị cố định mới bảo đảm

an toàn cho phản ứng

© Năng suất thiết bị:

Hỗn hợp phản ứng thường chiếm 75%, tức V = 3/4Vạ = 7,õ m”, Hỗn

Mựp phản ứng có thể tích 7,õ mỶ lúc đầu chứa 96% khối lượng styren và

# khối lượng polybutan Phần khối lượng các cấu tử được tính:

0,96 2

er 2,563.10" kg OI

Tượng ban đầu của hỗn hợp phản ứng gồm có 6,16 tấn styren và

0,2563 tấn polybutan Toàn bộ lượng polybutan được chuyển hoá thành

sản phẩm, đồng thời lượng styren chuyển hoá 30%, nên lượng sản phẩm

Phản ứng xảy ra ở 378°K Năng suất tính theo sản phẩm (caprolactam)

10 kilôtấn/năm, với độ chuyển hoá của xyclohexanonoxim là 99,97%

Quan hệ thể tích giữa xyclohexanonoxim và oleum là 0,77 : 1 Động học

phản ứng cho:

r=kCụ, EẠ= 79,7 kJimol, k„= 6,63.10!!1⁄h

a) Thể tích của thiết bị cẳn bao nhiêu?

b) Sản phẩm caprolactam có thể thực hiện trong thiết bị với độ

chuyển hoá 99,99% không?

GIẢI:

a) Tính thể tích thiết b

Đối với thiết bị khuấy lý tưởng (gián đoạn và liên tục) cho phép lấy

thể tích bằng 4/3 thể tích chứa hỗn hợp phản ứng Đối với thiết bị khuấy

lý tưởng liên tục, thể tích phản ứng được tính dựa vào phương trình cân bằng vật liệu:

ng=ng„~rVạ

250

Vì khối lượng riêng và khối lượng mol của cyclohexanonoxim và

taprolactam bằng nhau, nên V = V, (lưu lượng hỗn hợp phản ứng đi qua

thiét bị) và 7 = Vạ/ V, r = kC, nên Cụ = Cụ„= kCnE (? là thời gian lưu

trung bình)

Từ phương trình cân bằng vật liệu tính được 7 và Vạ= Z V, trong đó

Ÿlà năng suất đã cho

Thời gian lưu trung bình được tính:

™Ho= Dog97 ~ Og9g7 - 10.003 kilôtấn

Trong một năm thiết bị làm việc 8000 h, nên lượng xyclohexanon- crim tinh trong mot gid: