Tiểu luận ứng dụng trong công nghệ hóa học

Thiết bị làm việc gián đoạn được sử dụng trong công nghiệp hóa học khi: -Chỉ sản xuất những lượng sản phẩm không nhiều, như dược phẩm, chất màu,…-Cần phải sản xuất nhiều loại sản phẩm kh

CHƯƠNG I – CÁC LOẠI THIẾT BỊ PHẢN ỨNG TRONG

CÔNG NGHIỆP HÓA HỌC

1.1 Các phương thức tiến hành quá trình phản ứng

1.1.1 Thiết bị làm việc gián đoạn

Trong thiết bị làm việc gián đoạn, ban đầu nạp vào thiết bị các phần cần thiết:chất phản ứng, dung môi, xúc tác,… Chúng được trộn đều, khối phản ứng sẽ ở lạitrong thiết bị một thời gian nhất định và sau đó được tháo ra khỏi thiết bị Thiết bị làmviệc theo mẻ Trong quá trình tiến hành phản ứng trong thiết bị này, nồng độ tất cảcác cấu tử, áp suất chung, nhiệt độ,… thay đổi liên tục

Thiết bị làm việc gián đoạn được sử dụng trong công nghiệp hóa học khi:

-Chỉ sản xuất những lượng sản phẩm không nhiều, như dược phẩm, chất màu,…-Cần phải sản xuất nhiều loại sản phẩm khác nhau trên một hệ thống thiết bị(chẳng hạn sản xuất sơn, chất màu…theo nhiều phương án khác nhau)

-Khi có những khó khăn lớn về vận chuyển các cấu tử của phản ứng: các chất rắndính bết vào nhau, các loại quá nhớt hoặc bùn, có thể làm tắc hay tịt đường ống dẫn,bơm vận chuyển,…

Nhược điểm của thiết bị làm việc gián đoạn là:

-Tốn thời gian nạp nguyên liệu, tháo sản phẩm, đun nóng, làm nguội hỗn hợpphản ứng

-Tiêu hao năng lượng lớn

-Tốn nhân công để quản lý quá trình

Các thiết bị phản ứng làm việc gián đoạn thường là các loại thùng, nồi có cánhkhuấy, và trên thực tế như là mở rộng các thiết bị phòng thí nghiệm

Các thiết bị phản ứng kiểu gián đoạn chỉ thích hợp với các chất phản ứng rắnhoặc lỏng, vì với chất khí, thể tích của chúng quá lớn, chỉ chế biến ở các quá trình,thiết bị làm việc liên tục.

1.1.2 Thiết bị làm việc liên tục

Tại thiết bị làm việc liên tục, các chất phản ứng và phụ liệu: dung môi, khí, chấtmang… được cấp liên tục vào không gian phản ứng , và hỗn hợp sản phẩm, các chấtphản ứng còn dư chưa chuyển hóa, dung môi,… được tháo ra liên tục khỏi thiết bị.Thiết bị làm việc với các điều kiện đầu vào (lưu lượng chất phản ứng được cungcấp, nồng độ ban đầu, nhiệt độ hỗn hợp phản ứng,…), nhiệt lượng trao đổi …khôngthay đổi Thiết bị làm việc ở trạng thái ổn định

Các thiết bị làm việc liên tục có ưu điểm:

-Chất lượng sản phẩm ổn định

-Tiết kiệm được thể tích thiết bị

-Tiết kiệm thời gian nạp liệu và tháo sản phẩm

-Tiết kiệm được lao động và đặc biệt là đảm bảo tốt hơn vệ sinh và môi trường-Có khả năng cơ khí hóa, tự động hóa

Tuy nhiên, cũng có một số nhược điểm sau:

-Hệ thống thiết bị không linh động, vì các thông số công nghệ chỉ có thể điềuchỉnh trong miền hẹp

-Đầu tư lớn cho những hệ thống thiết bị phụ: hệ thống thiết bị nạp liệu, vậnchuyển vật liệu, thiết bị đo lường, điều khiển

-Đòi hỏi độ ổn định rất cao về nguyên liệu, về cả thành phần hóa học và các đặctrưng vật lý

-Thường xuyên tiêu hao một năng lượng điện như nhau, do đó rất bất lợi choviệc cung cấp điện cho hệ thống trong giờ cao điểm

Với những ưu nhược điểm như trên, các thiết bị làm việc liên tục chỉ thích hợpvới những sản xuất năng suất lớn

Thiết bị thường có dạng ống hoặc dạng nồi có cánh khuấy Những dạng thiết bịnày dùng cho cả các quá trình phản ứng đồng thể và các quá trình phản ứng giả đồngthể, dị thể

1.1.3 Thiết bị làm việc bán liên tục

Trong nhiều quá trình chuyển hóa hóa học, người ta dùng các thiết bị phản ứngbán liên tục, khi mật độ của các pha tham gia phản ứng rất chênh lệch nhau Khi đó,

“pha nặng” không liên tục, còn “pha nhẹ” được liên tục cấp vào và lấy ra khỏi thiết bị.Các thiết bị kiểu này cũng được sử dụng khi cần phải lấy một sản phẩm nào đó

ra nhanh khỏi vùng phản ứng để tránh phản ứng phụ không mong muốn, hoặc phảicấp vào vùng phản ứng một hóa chất hoạt động có thời gian “sống” đủ nhỏ (monomehoặc chất khởi đầu trong phản ứng trùng hợp)

Các thiết bị làm việc bán liên tục là những thiết bị không đạt được trạng thái ổnđịnh trong suốt quá trình phản ứng

Về phương diện thiết bị tương tự như các thiết bị gián đoạn: các nồi có thiết bịkhuấy, thùng phản ứng kiểu autoklave,…

1.2 Phân bố nồng độ các chất phản ứng trong thiết bị phản ứng đồng thể

Ở các quá trình gián đoạn, nồng độ ban đầu của các chất phản ứng được ấn định

và trong suốt thời gian phản ứng sẽ thay đổi liên tục theo quy luật thời gian tương ứngvới phản ứng hóa học đã cho, tương ứng với độ chuyển hóa tăng lên

Ở quá trình bán liên tục, sẽ có một cấu tử nào đó được đưa vào (hoặc lấy ra khỏi)vùng phản ứng một cách liên tục ư, nên có khả năng hình thành nên một quan hệ tối

ưu giữa nồng độ của cấu tử

Ở các quá trình liên tục, có thể ấn định nồng độ của các cấu tử trong thiết bịthông qua dòng vào, độ chuyển hóa và cả qua mức độ khuấy trộn trong thiết bị

1.2.1 Các thiết bị phản ứng cơ sở

Trên cơ sở phương thức làm việc gián đoạn/liên tục và mức độ khuấy trộn, chia

ra 3 mô hình lý tưởng cận của việc tiến hành các phản ứng đồng thể

-Quá trình khuấy lý tưởng, làm việc gián đoạn

-Quá trình khuấy lý tưởng, làm việc liên tục

-Quá trình đẩy lý tưởng, làm việc liên tục và không khuấy trộn khối phản ứng

Hình 1.1 Phân bố nồng độ trong 3 loại thiết bị phản ứng cơ bản:

1) Khuấy lý tưởng gián đoạn2a) Liên tục, đẩy lý tưởng2b) Liên tục, khuấy lý tưởng

*Thiết bị khuấy lý tưởng, làm việc gián đoạn

Nhờ khuấy trộn mà nồng độ các cấu tử, nhiệt độ,… ở mọi điểm của không gianphản ứng là như nhau Nồng độ của các cấu tử cũng như các tính chất vật lý của khốiphản ứng sẽ thay đổi liên tục theo thời gian, tương ứng với độ chuyển hóa

Tiến trình của phản ứng được xác định qua vận tốc của phản ứng và do đó khiquá trình đẳng nhiệt, có thể xác định được vận tốc phản ứng qua độ dốc của đườngcong nồng độ dCA/dt tại những nồng độ khác nhau ở hình 1.1.1).

*Thiết bị đẩy lý tưởng

Quá trình thực hiện trong những thiết bị kiểu ống với chiều dài rất lớn so vớiđường kính Hỗn hợp đầu đi vào liên tục ở một đầu và khối phản ứng đi ra ở đầu kia.Trong thiết bị đẩy lý tưởng, không có quá trình khuấy trộn theo chiều trục, nêntại mỗi tiết diện ngang của ống, thành phần của khối phản ứng là không đổi Nhưngthành phần của khối phản ứng (nồng độ của các cấu tử) thay đổi liên tục theo chiềudài thiết bị, tương ứng với độ chuyển hóa Do đó tiến trình của phản ứng cũng hoàntoàn được ấn định thông qua vận tốc phản ứng Khi quá trình ổn định, thành phần củakhối phản ứng tại mỗi điểm bất kỳ không phụ thuộc vào thời gian

*Thiết bị khuấy lý tưởng, làm việc liên tục

Khối phản ứng được khuấy trộn rất mãnh liệt Dòng vào lập tức được trộn lẫnhoàn toàn với khối phản ứng trong thiết bị Dòng đi ra khỏi thiết bị có thành phầngiống hệt thành phần của khối phản ứng trong thiết bị

Trong thiết bị khuấy lý tưởng làm việc liên tục, ổn định, nồng độ các chất, nhiệt

độ và các đặc trưng vật lý của khối phản ứng không thay đổi theo thời gian và khônggian Nghĩa là, ở đây, một sản phẩm nào đó sẽ luôn luôn và ở khắp mọi nơi của khônggian phản ứng được hình thành trong cùng một điều kiện phản ứng như nhau

1.2.2 Hệ thống thiết bị phản ứng phức hợp

Bên cạnh việc tiến hành quá trình hóa học trong một thiết bị, cũng hay tiến hànhquá trình trong những hệ thống ghép nối tiếp nhiều thiết bị phản ứng: dãy thiết bịkhuấy lý tưởng ghép nối tiếp và hệ thiết bị phản ứng “cắt dòng”

Hình 1.2 Phân bố nồng độ theo không gian trong dãy các thiết bị ghép

*Dãy thiết bị khuấy lý tưởng ghép nối tiếp (Hình 1.2.1)

Phân bố nồng độ của các cấu tử trong mỗi thiết bị có đặc trưng của một thiết bịđẳng hướng và ổn định Đối với toàn hệ thống, phân bố nồng độ của cấu tử theođường bậc thang

Dãy thiết bị khuấy lý tưởng ghép nối tiếp được dùng cho những hệ phản ứng, mà

về phương diện động học của phản ứng, phù hợp với một thiết bị phản ứng kiểu đẩy

lý tưởng, trong khi về kỹ thuật phân phối dòng chảy lại khó có thể tiến hành trong mộtthiết bị kiểu ống được Khi đó, dãy thiết bị khuấy lý tưởng sẽ được tận dụng ưu điểm

là tính đẳng hướng của thiết bị kiểu khuấy, mà lại không cần phải dùng một thiết bịlớn để có thể đạt được một độ chuyển hóa yêu cầu.

*Thiết bị phản ứng kiểu cắt dòng (Hình 1.2.2a, 2b)

Là những thiết bị làm việc liên tục, trong đó các dòng phụ liệu được nạp thêmvào hoặc tháo ra và “cắt” trực giao với dòng các chất phản ứng Theo cách đó, có thểđạt được những điều kiện nhất định về phân bố nồng độ một cấu tử nào đó ở một bậc,

ở một khu vực nào đó của hệ thống thiết bị phản ứng (như tăng cường một cấu tử cầnthiết hoặc tháo một sản phẩm phụ không có lợi ra khỏi thiết bị) mà vẫn đảm bảo cácđặc trưng quan trọng của hệ liên tục

1.2.3 Thiết bị phản ứng đồng thể, bán liên tục

Xét các phản ứng đồng thể xảy ra trong thiết bị, mà ở thời điểm bắt đầu phảnứng, một phần của khối phản ứng đã được nạp vào, còn phần cấu tử khác được đưavào hoặc lấy ra liên tục trong mỗi thời gian phản ứng

3 Phản ứng A + B → P, trong đó A có sẵn trong thiết bị với lượng

dư rất lớn, B nạp liên tục Sản phẩm P tháo ra liên tục

Hình 1.3 Phân bố nồng độ thiết bị làm việc bán liên tục, hệ đồng thể

1.3 Điều khiển các dòng chất trong thiết bị phản ứng dị thể

Ở các quá trình dị thể, vận tốc phản ứng được tính trên một đơn vị diện tích bềmặt ranh giới giữa các pha và nồng độ chất phản ứng tại vùng phản ứng phụ thuộcvào tương quan giữa quá trình hóa học và quá trình vận tải chất đến các bề mặt đó

Động lực của quá trình vận tải chất là chênh lệch giữa nồng độ của cấu tử trongdòng liên tục và trên bề mặt phản ứng Nồng độ của cấu tử phản ứng trong dòng liêntục lại có thể thay đổi được thông qua việc điều khiển dòng chất phản ứng đi vào thiết

bị Phương thức cấp dòng cũng ảnh hưởng đến khả năng phân bố các pha phản ứngvào nhau và đến bề mặt tiếp xúc giữa chúng

1.3.1 Trường hợp chỉ có một pha chuyển động

Thiết bị phản ứng làm việc bán liên tục Trong đó pha chuyển động thường làpha khí, còn pha không chuyển động có thể là pha lỏng hoặc pha rắn

Khi quá trình phản ứng là giữa 2 pha liên tục, vận tốc dòng sẽ làm thay đổi mức

độ phân tán giữa 2 pha, ảnh hưởng lớn đến bề mặt tiếp xúc pha và mức độ vận tải đốilưu các cấu tử trong từng pha

Khi quá trình phản ứng là giữa 1 pha linh động và 1 pha rắn, bề mặt ranh giớigiữa các pha do bề mặt pha rắn – pha không chuyển động quyết định Khi thay đổivận tốc dòng của dòng vật liệu pha liên tục, tăng cường quá trình vận tải có thể tăngcường vận tốc hiệu dụng của quá trình hóa học

Khi pha rắn là xúc tác có hoạt tính ổn định trong một thời gian dài (quá trình oxihóa SO2, tổng hợp NH3…), quá trình phản ứng gần như ổn định Nhưng nếu xúc tácnhanh chóng mất hoạt tính (phản ứng cracking…) quá trình lại không ổn định

1.3.2 Trường hợp hai dòng chuyển động

Hai dòng chất lỏng không tan vào nhau được đưa vào thiết bị theo 2 cách: xuôichiều hoặc ngược chiều

Quá trình xuôi chiều, ở lối vào thiết bị phản ứng, vận tốc phản ứng là rất lớn vàphản ứng gần như sẽ dừng lại sau một thời gian ngắn (do nồng độ các cấu tử giảmnhanh)

Quá trình ngược chiều Ở đầu vào của thiết bị, nồng độ cấu tử A trong pha hữu

cơ rất lớn và nồng độ cấu tử B trong pha nước chỉ là “phần còn lại” nên vận tốc phảnứng khá lớn, pha nước chứa hàm lượng sản phẩm C rất lớn Ở đầu ra của thiết bị, phanước không chứa sản phẩm C và lại có hàm lượng cấu tử B cao nhất, có thể phản ứnggần như hoàn toàn với lượng cấu tử A trong pha hữu cơ Suốt cả chiều dài thiết bị,không có vị trí nào có vận tốc phản ứng cao như “vận tốc phản ứng ban đầu” khi cấpdòng xuôi chiều

Phương thức cấp dòng xuôi chiều thường chỉ dùng khi các chất phản ứng có thểtrộn lẫn nhau thành một hỗn hợp ổn định (một huyền phù hay một nhũ tương ổnđịnh) Ví dụ như quá trình trùng hợp nhũ tương cao su butadien styren

Phương thức cấp dòng ngược chiều rất phù hợp cho các trường hợp phản ứngnhanh, trong đó một pha rất loãng ở giai đoạn đầu tiên của quá trình Mặt khác mộtcấu tử cũng được phản ứng hết nhờ nồng độ ban đầu rất cao ở một pha khác Điểnhình là quá trình đốt quặng pyrit sản xuất hỗn hợp khí SO2

Hình 1.4 Phân bố nồng độ trong 2 dòng chất lỏng không hòa tan vào nhau

trong thiết bị đẩy lý tưởng của phản ứng

A (trong pha hữu cơ) + B (trong pha nước) → C (trong pha nước)

1.4 Các thiết bị phản ứng trong thực tế kỹ thuật

1.4.1 Quá trình phản ứng đồng thể

Các thiết bị để tiến hành các phản ứng đồng thể trong công nghiệp thường khôngkhác mấy so với các dạng thiết bị cơ bản trên

- Với thiết bị kiểu ống:

Sai khác do hiện tượng khuấy trộn theo chiều trục sinh ra Có sự khác nhau giữathiết bị có dòng chảy “màng” so với dòng “đẩy lý tưởng” Dòng chảy xoáy của cácchất lỏng giọt được xem là gần hơn cả so với dòng đẩy lý tưởng

Hình 1.5 Phân bố vận tốc dòng trong các ống có thành trơn nhẵn

a)Dòng piston (đẩy lý tưởng)b)Dòng xoáy

c)Dòng chảy màng

- Với thiết bị kiểu khuấy:

Sai khác do khuấy trộn chưa đủ mạnh hoặc độ nhớt của môi trường phản ứngquá lớn

Do vậy, với những phản ứng giữa những chất lỏng nhớt, người ta dùng thiết bịphản ứng kiểu ống có khuấy trộn ngược (một phần khối phản ứng được tách ra tạodòng khuấy trộn ngược)

Hình 1.6 Sơ đồ thiết bị phản ứng khuấy trộn bằng dòng tuần hoàn

1.5 Điều khiển nhiệt độ trong các thiết bị phản ứng

Nhiệt độ có ảnh hưởng rất lớn đến phản ứng hóa học Vận tốc phản ứng thay đổitheo hàm số mũ khi nhiệt độ của phản ứng hóa học biến thiên Mặt khác, các phảnứng hóa học luôn luôn gắn liền với hiệu ứng nhiệt của chúng, cho nên để xác lập mộtchế độ nhiệt độ cho thiết bị cần phải có những biện pháp kỹ thuật

Một số phương thức:

-Trao đổi nhiệt trực tiếp bằng cách thêm vào hệ phản ứng các chất mà nhiệt hàmcủa nó hoặc nhiệt chuyển hóa có thể sử dụng để điều khiển nhiệt độ

-Trao đổi nhiệt gián tiếp thông qua một bề mặt trao đổi nhiệt

-Tuần hoàn một phần hay toàn bộ hỗn hợp phản ứng qua một thiết bị trao đổinhiệt nằm bên ngoài thiết bị phản ứng

CHƯƠNG II – THIẾT BỊ PHẢN ỨNG CHO CÁC QUÁ TRÌNH

XÚC TÁC DỊ THỂ

2.1 Thiết bị phản ứng với lớp xúc tác tĩnh

2.1.1 Giới thiệu chung

Các thiết bị phản ứng xúc tác lớp tĩnh được chia ra :

-Thiết bị một buồng xúc tác (hình 2.1A)

-Thiết bị xúc tác ống chùm (hình 2.1B)

-Thiết bị xúc tác lớp (hình 2.2)

Hình 2.1 Thiết bị một buồng xúc tác (A) và thiết bị xúc tác ống chùm (B)

Khi cần phải rút một nhiệt lượng lớn hay phải cấp nhiệt nhiều cho phản ứng,thiết bị một buồng xúc tác là bất tiện và xảy ra sự phân bố nhiệt độ rất không đềutrong lớp xúc tác Vì vậy, người ta chia xúc tác ra làm nhiều ống nhỏ song song, tạo

nên thiết bị xúc tác kiểu ống chùm Loại này được dùng phổ biến trong công nghiệp(tổng hợp VC, VA,…) và hiệu ứng nhiệt càng cao, đường kính của mỗi ống xúc táccàng phải nhỏ nhằm tránh gradient nhiệt độ theo hướng bán kính của ống Gradientnhiệt độ trong lớp xúc tác làm cho xúc tác kết khối, hỏng xúc tác, tắc ống.

Khả năng điều chỉnh các thông số công nghệ trong thiết bị xúc tác kiểu ốngchùm là không cao Ngoài ra thiết bị loại này cũng rất nhạy khi các thông số thay đổi

Để tránh nhược điểm này, người ta chế tạo thiết bị phản ứng kiểu xúc tác lớp

Trong thiết bị loại này, lượng xúc tác được phân ra 2, 3 hay nhiều lớp và ở mỗilớp xúc tác có thể tiến hành truyền nhiệt gián tiếp hay trực tiếp

Trong những năm gần đây, người ta đã thiết kế và chế tạo thiết bị phản ứng cólớp xúc tác với dòng khí phản ứng theo hướng kính (hình 2.2), làm cho vận tốc dòngnhỏ hơn, thời gian tiếp xúc dài hơn Thiết bị loại này dùng trong công nghiệp tổnghợp amoniac ngày nay đạt năng suất trên 3000T/ngày

Với những phản ứng có thời gian tiếp xúc ngắn, xúc tác kim loại thường đượcdệt thành lưới của những sợi kim loại mảnh, điển hình là thiết bị oxi hóa amoniac trênxúc tác Pt-Rh

Hình 2.2 Thiết bị phản ứng có lớp xúc tác với dòng khí theo hướng kính trong

công nghiệp sản xuất amoniac

2.1.2 Cân bằng chất và cân bằng nhiệt

Giả thiết, phản ứng trên ranh giới giữa pha khí và pha rắn trong phạm vi thiết bịphản ứng xảy ra tương tự như trong một không gian liên tục

Với giả thiết trên, ta xem môi trường phản ứng là môi trường giả đồng thể và vậntốc phản ứng tính cho một đơn vị thể tích “môi trường giả đồng thể” của không gianphản ứng (r eff)V

R, ta có:

(r eff)V

R = (r eff)ms ρ l = (r eff)ms ρ b (1-ε)Trong đó:

-(r eff)ms : vận tốc hiệu dụng của phản ứng tính cho một đơn vị khối lượng xúc tác

-ρ l : khối lượng đổ của lớp xúc tác

-ρ b : khối lượng riêng biểu kiến của xúc tác

-ε: độ xốp của lớp xúc tác

2.1.2.1 Cân bằng chất cho tiết bị xúc tác lớp tĩnh

Thông thường, như đã biết các thiết bị xúc tác lớp tĩnh có hình trụ (ống xúc tác)cho nên để lập cân bằng chất ta dung phương trình cân bằng chất trong hệ tọa độ trụ

Từ phương trình cân bằng chất tổng quát trong hệ tọa độ trụ cho một cấu tử thứ i,

-D ' z , D r ': là hệ số khuếch tán theo hướng trục và hướng kính trên toàn bộ tiết diệncủa dòng.

-C i=C i , F : nồng độ cấu tử i trong pha liên tục.

Rõ ràng:

ω '

=V´

q=ε ´ω

Với V´: là lưu lượng dòng

q : là tiết diện của ống

ε:độ xốp (không gian tự do) của lớp xúc tác

Tương tự như vậy ta có :

, ω ' không phụ thuộc không gian ta có:

0 là nồng độ của cấu tử i trong dòng đi vào thiết bị và xem như tại cửa vào

thiết bị không tồn tại các quá trình khuếch tán trong ống dẫn, ta có điều kiện biên củaphương trình trên như sau:

C i=C i0 tại z = 0 0<R<R0

ω ' C i=ω ' C i0+D ' z(∂ C i

∂ z ) tại z = 0 0<R<R0

Chuẩn số Peclet hướng kính được xác định theo đồ thị:

Hình 2.3 Đồ thị xác định giá trị chuẩn số Peclet hướng kính như là một hàm số

của Re p = ω dp´ ν

D R : đường kính thiết bị (ống); d p : đường kính phân tử chất rắn

Từ đồ thì trên có thể thấy rằng, trong hầu hết các trường hợp thực tế giá trị củachuẩn số Peclet hướng kính nằm trong khoảng 8 – 11

Nếu như quá trình dòng chảy trong lớp xúc tác có thể bỏ qua khuếch tán (khuấytrộn) hướng trục và gradient nồng độ theo hướng kính, phương trình cân bằng chất trởnên rất đơn giản:

Cũng như ở thiết bị ở phản ứng kiểu đẩy lý tưởng cho một hệ đồng thể, ở đây tacũng có:

2.1.2.2 Cân bằng nhiệt cho thiết bị xúc tác lớp tĩnh

Trong một lớp vật liệu nếu có dòng khí chảy qua sự “dẫn nhiệt hiệu dụng” thôngqua nhiều cơ chế và hệ số “dẫn nhiệt hiệu dụng” do đó phụ thuộc vào nhiều yếu tốnhư nhiệt độ, vận tốc dòng, kích thước phân tử rắn, độ xốp của lớp cũng như khả năngdẫn nhiệt là không đáng kể so với dòng đối lưu cho nên thường bỏ qua thành phầnnày, nghĩa xem λ z=0

Để thiết lập cân bằng nhiệt, ta xem trong thiết bị chỉ có dòng chảy theo hướngtrục, nghĩa là ωz=ω ' và ω r=0, đông thời xem λ r (hệ số dẫn nhiệt theo hướng kính)không phụ thuộc vào bán kính thiết bị Với một hệ ổn định và chỉ xảy ra một phảnứng hóa học, vì vậy ta có phương trình cân bằng nhiệt:

2.1.2.3 Tính toán thiết bị xúc tác lớp tĩnh đẳng nhiệt

Để tính toán thiết bị phản ứng xúc tác lớp tĩnh đẳng nhiệt, chỉ cần phương trìnhcân bằng chất Tất nhiên sự khác nhau về vận tốc dòng theo hướng kính cũng cần đến

sự sai khác về thời gian lưu và do đó ảnh hưởng đến độ chuyển hoascuar phản ứng.Điều này ta sẽ xét đến ở một phần khác

Trong điều kiện lớp xúc tác tĩnh đẳng nhiệt, nói chung gradient nồng độ theohướng kính là không lớn, ngoài ra trị số của thừa số L d p/P e r R02 cũng rất nhỏ (khoảng

10-2) có thể bỏ qua, vì vậy xuất phát từ phương trình cân bằng chất, ta có thể viết:

V0 là lưu lượng dòng khí nguyên liệu.

2.1.2.4 Tính toán thiết bị phản ứng xúc tác lớp tĩnh đoạn nhiệt

Nói chung trong thực tế công nghiệp khó lòng mà tồn tại những lớp xúc tác đẳngnhiệt, mà thông thường người ta chia khối xúc tác cần thiết thành nhiều lớp xúc tácđoạn nhiệt, và giữa các lớp đó là các thiết bị trao đổi nhiệt Với kỹ thuật cách nhiệthiện đại, mỗi lớp xúc tác như vậy trong thực tế làm việc theo chế độ đoạn nhiệt.Gradient nhiệt độ và gradient nồng độ theo hướng kính của lớp xúc tác được quyếtđịnh bởi sự khác nhau về vận tốc dòng theo hướng đó, còn tác động của khuếch tándọc trục có thể bỏ qua vì thường có lớp xúc tác đoạn nhiệt không dày

Vì vậy, bỏ qua graient nhiệt độ theo hướng kính ta có cân bằng chất cho các lớpxúc tác đoạn nhiệt :

ρ và Cp là khối lượng riêng và nhiệt dung đẳng áp của hỗn hợp khí phản ứng

→m´R là năng suất nguyên liệu tính theo khối lượng (lưu lượng dòng)